第一章 Linux驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

1、 LinuxLinux驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)課程目標(biāo)課程目標(biāo)掌握嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基本原理、架構(gòu)和設(shè)計(jì)方法字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)掌握Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)中常用的機(jī)制和內(nèi)核資源中斷頂/底半部處理內(nèi)核定時(shí)器和延時(shí)操作并發(fā)控制在內(nèi)核中的應(yīng)用內(nèi)存管理和分配阻塞型I/O和非阻塞型I/O課程結(jié)構(gòu)圖課程結(jié)構(gòu)圖Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā) Linux塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)Linux網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā) Linux下顯示設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)1. 驅(qū)動(dòng)程序概述2. 字符驅(qū)動(dòng)程序3. 時(shí)鐘與中斷4. 并發(fā)和競(jìng)態(tài)5. 內(nèi)存管理6. 阻塞和非阻塞型I/O （第1-2章） 1. 塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序2.

2、Linux下MTD驅(qū)動(dòng)3. MTD Flash驅(qū)動(dòng)實(shí)例 （第3-4章） 1. 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū) 程序結(jié)構(gòu)2. 網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序?qū)嵗?（第5章） 1.Framebuffer驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)2. 驅(qū)動(dòng)實(shí)例 （第6-7章） LinuxLinux驅(qū)動(dòng)程序概述驅(qū)動(dòng)程序概述第1章本章目標(biāo)本章目標(biāo)了解Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)知識(shí) 掌握Linux驅(qū)動(dòng)模塊的構(gòu)造和裝載方法 本章結(jié)構(gòu)本章結(jié)構(gòu)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介 Linux驅(qū)動(dòng)程序概述驅(qū)動(dòng)程序概述 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello World模塊模塊內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模塊和應(yīng)用程序?qū)Ρ葍?nèi)核驅(qū)動(dòng)模塊和應(yīng)用程序?qū)Ρ?編譯和裝載驅(qū)動(dòng)模塊編譯和裝載驅(qū)動(dòng)模塊 構(gòu)造和運(yùn)行模塊構(gòu)造和運(yùn)行

3、模塊 設(shè)備的分類(lèi)和特點(diǎn)設(shè)備的分類(lèi)和特點(diǎn) 字符設(shè)備字符設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備塊設(shè)備塊設(shè)備為什么要學(xué)習(xí)嵌入式為什么要學(xué)習(xí)嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)？驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)？高需求內(nèi)核代碼的大部分新芯片、新設(shè)備高門(mén)檻需要具有硬件知識(shí)需要了解內(nèi)核基礎(chǔ)知識(shí)需要了解內(nèi)核中的并發(fā)控制和同步復(fù)雜的軟件結(jié)構(gòu)框架高回報(bào)1-1設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)介驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)操控硬件，是應(yīng)用程序和硬件設(shè)備之間的一個(gè)接口隱藏硬件細(xì)節(jié)，提高應(yīng)用軟件的可移植性提供安全性開(kāi)發(fā)模式 內(nèi)核態(tài)驅(qū)動(dòng) 用戶(hù)態(tài)驅(qū)動(dòng)提供機(jī)制，而不是提供策略機(jī)制：驅(qū)動(dòng)程序能實(shí)現(xiàn)什么功能策略：用戶(hù)如何使用這些功能1-2設(shè)備的分類(lèi)和特點(diǎn)設(shè)備的分類(lèi)和特點(diǎn)設(shè)備分

4、類(lèi)設(shè)備分類(lèi)字符設(shè)備字符設(shè)備(char device)塊設(shè)備塊設(shè)備(block device)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(network device)1-2設(shè)備的分類(lèi)和特點(diǎn)設(shè)備的分類(lèi)和特點(diǎn)字符設(shè)備特點(diǎn)字符設(shè)備特點(diǎn)像字節(jié)流一樣來(lái)存取的設(shè)備( 如同文件 )通過(guò)/dev下的文件系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)來(lái)訪問(wèn)。通常至少需要實(shí)現(xiàn) open, close, read, 和 write 等系統(tǒng)調(diào)用只能順序訪問(wèn)的數(shù)據(jù)通道，不能前后移動(dòng)訪問(wèn)指針。 特例:比如framebuffer設(shè)備就是這樣的設(shè)備，應(yīng)用程序可以使用mmap或lseek訪問(wèn)圖像的各個(gè)區(qū)域1-2設(shè)備的分類(lèi)和特點(diǎn)設(shè)備的分類(lèi)和特點(diǎn)塊設(shè)備特點(diǎn)塊設(shè)備通過(guò)位于 /dev 目錄的文件系

5、統(tǒng)結(jié)點(diǎn)來(lái)存取塊設(shè)備和字符設(shè)備的區(qū)別僅僅在于內(nèi)核內(nèi)部管理數(shù)據(jù)的方式塊設(shè)備有專(zhuān)門(mén)的接口，塊設(shè)備的接口必須支持掛裝（mount）文件系統(tǒng)。應(yīng)用程序一般通過(guò)文件系統(tǒng)來(lái)訪問(wèn)塊設(shè)備上的內(nèi)容1-2設(shè)備的分類(lèi)和特點(diǎn)設(shè)備的分類(lèi)和特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備特點(diǎn)通過(guò)單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)接口來(lái)訪問(wèn)任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)事務(wù)都通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，即一個(gè)能夠和其他主機(jī)交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。 網(wǎng)卡 軟件設(shè)備:環(huán)回接口（loopback）內(nèi)核調(diào)用一套和數(shù)據(jù)包傳輸相關(guān)的函數(shù)1-3 構(gòu)造和運(yùn)行模塊構(gòu)造和運(yùn)行模塊驅(qū)動(dòng)程序加入內(nèi)核的方法驅(qū)動(dòng)程序加入內(nèi)核的方法把所有需要的功能都編譯到內(nèi)核中把所有需要的功能都編譯到內(nèi)核中 生成的內(nèi)核鏡像（Image）文件會(huì)很大 如果我們要在現(xiàn)有

6、的內(nèi)核中新增或刪除功能，將不得不重新編譯和裝載內(nèi)核。 1-3驅(qū)動(dòng)程序加入內(nèi)核的方法驅(qū)動(dòng)程序加入內(nèi)核的方法 Linux提供了機(jī)制被稱(chēng)為模塊（Module）的機(jī)制 提供了對(duì)許多模塊支持, 包括但不限于, 設(shè)備驅(qū)動(dòng)每個(gè)模塊由目標(biāo)代碼組成( 沒(méi)有連接成一個(gè)完整可執(zhí)行程序 ) insmod 將模塊動(dòng)態(tài)加載到正在運(yùn)行內(nèi)核 rmmod 程序移除模塊1.3.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello World模塊模塊(hello.c)#include #include MODULE_LICENSE(Dual BSD/GPL);static int _init hello_init(void) printk(KERN

7、_ALERT Hello worldn); return 0;static void _exit hello_exit(void) printk(KERN_ALERT Hello world exitn);module_init(hello_init);module_exit(hello_exit); 自由許可證自由許可證模塊卸載宏模塊卸載宏用法類(lèi)似于用法類(lèi)似于printf，但它有優(yōu)先級(jí)但它有優(yōu)先級(jí)(比如比如KERN_ALERT)模塊初始化模塊初始化宏宏宏，告訴內(nèi)核這兩個(gè)函數(shù)只會(huì)宏，告訴內(nèi)核這兩個(gè)函數(shù)只會(huì)在加載和卸載模塊時(shí)使用在加載和卸載模塊時(shí)使用1-3-1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello W

8、orld模塊模塊(hello.c)編譯內(nèi)核模塊 #gcc DMODULE D_KERNEL_ -c hello.c I /your_kernel_path/include/linux 加載內(nèi)核模塊：#insmod ./hello.ko 查看內(nèi)核中已裝載的模塊#lsmod | grep hello卸載內(nèi)核模塊：#rmmod hello 1.3.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello World模塊模塊Linux內(nèi)核模塊的程序結(jié)構(gòu)內(nèi)核模塊的程序結(jié)構(gòu)module_init()-模塊加載函數(shù)（必須）模塊加載函數(shù)（必須） 通過(guò)insmod或modprobe命令加載內(nèi)核模塊時(shí)，模塊的加載函數(shù)會(huì)自動(dòng)被內(nèi)核執(zhí)行，

9、完成模塊的相關(guān)初始化工作module_exit()-模塊卸載函數(shù)（必須）模塊卸載函數(shù)（必須） 當(dāng)通過(guò)rmmod命令卸載某模塊時(shí)，模塊的卸載函數(shù)會(huì)自動(dòng)被內(nèi)核執(zhí)行，完成與模塊裝載函數(shù)相反的功能1-3-1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello World模塊模塊(hello.c)MODULE_LICENSE()-模塊許可證聲明（必須）模塊許可證聲明（必須） 模塊許可證（LICENSE）聲明描述內(nèi)核模塊的許可權(quán)限 如果不聲明LICENSE,模塊被加載時(shí)，將收到內(nèi)核被污染（kernel tainted）的警告module_param()-模塊參數(shù)（可選）模塊參數(shù)（可選） 模塊參數(shù)是模塊被加載的時(shí)候可以被傳遞給

10、它的值，它本身對(duì)應(yīng)模塊內(nèi)部的全局變量。1-3-1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello World模塊模塊(hello.c)EXPORT_SYMBOL()-模塊導(dǎo)出符號(hào)（可選）模塊導(dǎo)出符號(hào)（可選） 內(nèi)核模塊可以導(dǎo)出符號(hào)（symbol，對(duì)應(yīng)于函數(shù)或變量）到內(nèi)核 其他模塊可以使用本模塊中的變量或函數(shù)其他一些聲明其他一些聲明MODULE_XXXXX()-模塊聲明（可選）模塊聲明（可選） 1-3-1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello World模塊模塊模塊加載函數(shù)模塊加載函數(shù)static int _init initialization_function(void) /* 初始化代碼 */module_ini

11、t(initialization_function); 應(yīng)當(dāng)聲明成靜態(tài)的應(yīng)當(dāng)聲明成靜態(tài)的（static）, 因?yàn)樗鼈儾灰驗(yàn)樗鼈儾粫?huì)在特定文件之外可見(jiàn)會(huì)在特定文件之外可見(jiàn)表明該函數(shù)只是在初始化時(shí)使用。模塊加載器在模塊加表明該函數(shù)只是在初始化時(shí)使用。模塊加載器在模塊加載后會(huì)丟掉這個(gè)初始化函數(shù)載后會(huì)丟掉這個(gè)初始化函數(shù), 這樣可將該函數(shù)占用的內(nèi)存這樣可將該函數(shù)占用的內(nèi)存釋放出來(lái)，以作他用。釋放出來(lái)，以作他用。 原型：原型：#define _init _attribute_ (_section_(“.init.text”)定義會(huì)在模塊目標(biāo)代碼中增加一個(gè)特殊的定義會(huì)在模塊目標(biāo)代碼中增加一個(gè)特殊的段段, 用

12、于說(shuō)明內(nèi)核模塊初始化函數(shù)所在的位用于說(shuō)明內(nèi)核模塊初始化函數(shù)所在的位置。沒(méi)有這個(gè)定義置。沒(méi)有這個(gè)定義, 初始化函數(shù)不會(huì)被調(diào)用。初始化函數(shù)不會(huì)被調(diào)用。1-3-1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello World模塊模塊模塊卸載函數(shù)模塊卸載函數(shù) static void _exit cleanup_function(void) /* 釋放資源 */ module_exit(cleanup_function); 在模塊被移除前注銷(xiāo)接口并在模塊被移除前注銷(xiāo)接口并釋放所有所占用的系統(tǒng)資源釋放所有所占用的系統(tǒng)資源標(biāo)識(shí)這個(gè)代碼是只用于模塊卸載標(biāo)識(shí)這個(gè)代碼是只用于模塊卸載( 通過(guò)使編譯器把它放在通過(guò)使編譯器把它放在特殊

13、的特殊的 ELF 段段)原型：原型：#define _exit _attribute_ (_section_(“.exit.text”)1.3.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello World模塊模塊#include #include MODULE_LICENSE(Dual BSD/GPL);static char *whom = world;static int howmany = 1;static int hello_init(void)int i; for(i=0;ihowmany;i+) printk(KERN_ALERT Hello %sn,whom); return 0;static

14、 void hello_exit(void) printk(KERN_ALERT Hello world exitn);module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);module_param(howmany, int, S_IRUGO);module_param(whom, charp, S_IRUGO); module_param（參數(shù)名，（參數(shù)名， 參數(shù)類(lèi)型，參數(shù)讀參數(shù)類(lèi)型，參數(shù)讀/寫(xiě)權(quán)限）寫(xiě)權(quán)限） 1-3-1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello World模塊模塊module_param（參數(shù)名，參數(shù)類(lèi)型，參數(shù)讀（參數(shù)名，參數(shù)類(lèi)型，參數(shù)讀/寫(xiě)

15、權(quán)限）寫(xiě)權(quán)限） 內(nèi)核支持的模塊參數(shù)類(lèi)型包括：內(nèi)核支持的模塊參數(shù)類(lèi)型包括： byte、short、ushort、int、uint、long、ulong、charp(字符指針)、bool以u(píng)開(kāi)頭的為無(wú)符號(hào)值。 static char *whom = world; static int howmany = 1; module_param(howmany, int, S_IRUGO); module_param(whom, charp, S_IRUGO); 1-3-1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello World模塊模塊模塊也可以擁有參數(shù)數(shù)組模塊也可以擁有參數(shù)數(shù)組形式為“module_param_arr

16、ay（數(shù)組名，數(shù)組類(lèi)型，數(shù)組長(zhǎng)，參數(shù)讀/寫(xiě)權(quán)限）”。運(yùn)行insmod或modprobe命令時(shí)，應(yīng)使用逗號(hào)分隔輸入的數(shù)組元素裝載模塊時(shí)改變參數(shù)：裝載模塊時(shí)改變參數(shù)：可通過(guò)可通過(guò)insmod或或modprobeinsmod hello_ext.ko howmany=5 whom=Students modprobe也可以從它的配置文件(/etc/modprobe.conf)讀取參數(shù)的值1.3.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello World模塊模塊模塊導(dǎo)出符號(hào)模塊導(dǎo)出符號(hào)EXPORT_SYMBOL(name);EXPORT_SYMBOL_GPL(name); _GPL 版本的宏定義的版本的宏定義的導(dǎo)出

17、符號(hào)只能對(duì)導(dǎo)出符號(hào)只能對(duì) GPL 許可的模塊可用許可的模塊可用符號(hào)必須在模塊文件的全局部分符號(hào)必須在模塊文件的全局部分導(dǎo)出導(dǎo)出, 不能在函數(shù)中導(dǎo)出不能在函數(shù)中導(dǎo)出1-3-1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello World模塊模塊模塊聲明與描述模塊聲明與描述 MODULE_AUTHOR(author); -聲明模塊的作者 MODULE_DESCRIPTION(description); -聲明模塊的描述MODULE_VERSION(version_string); -聲明模塊的版本 MODULE_DEVICE_TABLE(table_info); -聲明模塊的設(shè)備表MODULE_ALIAS(alte

18、rnate_name); -聲明模塊的別名1-3-1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的Hello World模塊模塊模塊的使用計(jì)數(shù)模塊的使用計(jì)數(shù) Linux2.4內(nèi)核內(nèi)核 MOD_INC_USE_COUNT（加一計(jì)數(shù)） MOD_DEC_USE_COUNT（減一計(jì)數(shù)）Linux2.6內(nèi)核中內(nèi)核中 int try_module_get(struct module *module); void module_put(struct module *module);在Linux2.6內(nèi)核下，對(duì)于設(shè)備驅(qū)動(dòng)工程師而言，很少需要親自調(diào)用try_module_get()和module_put()，因?yàn)槟K的計(jì)數(shù)管理由內(nèi)核里

19、更底層的代碼（如總線驅(qū)動(dòng)或是此類(lèi)設(shè)備共用的核心模塊）來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而簡(jiǎn)化了設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)1-3-2 內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模塊與應(yīng)用程序?qū)Ρ葍?nèi)核驅(qū)動(dòng)模塊與應(yīng)用程序?qū)Ρ葢?yīng)用程序是一個(gè)進(jìn)程應(yīng)用程序是一個(gè)進(jìn)程編程從主函數(shù)main（）開(kāi)始主函數(shù)main返回即是進(jìn)程結(jié)束驅(qū)動(dòng)程序是一系列內(nèi)核函數(shù)驅(qū)動(dòng)程序是一系列內(nèi)核函數(shù)驅(qū)動(dòng)程序向內(nèi)核添加了一些函數(shù),是內(nèi)核的一部分 Open（） Release（） Read（） Write（）這些函數(shù)由內(nèi)核在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候來(lái)調(diào)用這些函數(shù)可以用來(lái)完成硬件訪問(wèn)等操作1-3-3 編譯和裝載驅(qū)動(dòng)模塊編譯和裝載驅(qū)動(dòng)模塊編譯模塊編譯模塊ifneq ($(KERNELRELEASE),) obj-m := h

20、ello.o else KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build PWD := $(shell pwd) default: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules endif 如果我們想由兩個(gè)源文件如果我們想由兩個(gè)源文件(比如比如file1.c和和file2.c )構(gòu)造出一個(gè)名稱(chēng)為構(gòu)造出一個(gè)名稱(chēng)為module.ko的模塊的模塊, 則正確的則正確的makefile可如下編寫(xiě)可如下編寫(xiě): obj-m := module.o module-objs := file1.o file2.o 1-3-3 編譯和裝載驅(qū)動(dòng)模塊編譯和裝載驅(qū)動(dòng)模塊裝載模塊裝載模塊Insmod和modprobe可以用來(lái)裝載模塊卸載模塊卸載模塊從內(nèi)核中卸載模塊可以用rmmod工具.注意，如果內(nèi)核認(rèn)為該模塊任然在使用狀態(tài)，或注意，如果內(nèi)核認(rèn)為該模塊任然在使用狀態(tài)，或者內(nèi)核被禁止移除該模塊，則無(wú)法移除該模塊。者內(nèi)核被禁止移除該模塊，則無(wú)法移除該模塊。 Insmod和和modprobe主要區(qū)別主要區(qū)別modprobe會(huì)考慮要