實(shí)驗(yàn)四-linux驅(qū)動(dòng)程序的編寫(共7頁(yè))

1、中國(guó)石油大學(xué)(北京)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告評(píng)定成績(jī)指導(dǎo)教師實(shí)驗(yàn)課程： 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)實(shí)踐 實(shí)驗(yàn)名稱： linux驅(qū)動(dòng)程序的編寫 學(xué)號(hào)： 2017215538 姓名： 于寧 班級(jí)： 信息研17-4班 完成日期： 2018 年 4 月 16 日 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握l(shuí)inux驅(qū)動(dòng)程序的編寫方法；2. 掌握驅(qū)動(dòng)程序動(dòng)態(tài)模塊的調(diào)試方法；3. 掌握驅(qū)動(dòng)程序填加到內(nèi)核的方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 學(xué)習(xí)linux驅(qū)動(dòng)程序的編寫流程；2. 學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)程序動(dòng)態(tài)模塊的調(diào)試方法；3. 學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)程序填加到內(nèi)核的流程。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. PentiumII以上的PC機(jī)，LINUX操作系統(tǒng)，EL-ARM830實(shí)驗(yàn)

2、箱。四、linux的驅(qū)動(dòng)程序的編寫嵌入式應(yīng)用對(duì)成本和實(shí)時(shí)性比較敏感，而對(duì)linux的應(yīng)用主要體現(xiàn)在對(duì)硬件的驅(qū)動(dòng)程序的編寫和上層應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)上。嵌入式linux驅(qū)動(dòng)程序的基本結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)Linux的結(jié)構(gòu)基本一致，也支持模塊化模式，所以，大部分驅(qū)動(dòng)程序編成模塊化形式，而且，要求可以在不同的體系結(jié)構(gòu)上安裝。linux是可以支持模塊化模式的，但由于嵌入式應(yīng)用是針對(duì)具體的應(yīng)用，所以，一般不采用該模式，而是把驅(qū)動(dòng)程序直接編譯進(jìn)內(nèi)核之中。但是這種模式是調(diào)試驅(qū)動(dòng)模塊的極佳方法。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié),這樣在應(yīng)用程序看來(lái),硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件,

3、應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。同時(shí),設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分,它完成以下的功能:對(duì)設(shè)備初始化和釋放;把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù);讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù);檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。在linux操作系統(tǒng)下有字符設(shè)備和塊設(shè)備兩類主要的設(shè)備文件類型。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是:在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀寫請(qǐng)求時(shí),實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了;塊設(shè)備利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū),當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備請(qǐng)求滿足用戶要求時(shí),就返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。塊設(shè)備是主要針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的,以免耗費(fèi)過(guò)多的CPU時(shí)間來(lái)等待。4.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的 file_op

4、erations 結(jié)構(gòu)通常,一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括兩個(gè)基本的任務(wù)：驅(qū)動(dòng)設(shè)備的某些函數(shù)作為系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行；而某些函數(shù)則負(fù)責(zé)處理中斷(即中斷處理函數(shù))。而file_operations 結(jié)構(gòu)的每一個(gè)成員的名稱都對(duì)應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。用戶程序利用系統(tǒng)調(diào)用,比如在對(duì)一個(gè)設(shè)備文件進(jìn)行諸如read操作時(shí),這時(shí)對(duì)應(yīng)于該設(shè)備文件的驅(qū)動(dòng)程序就會(huì)執(zhí)行相關(guān)的ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);函數(shù)。在操作系統(tǒng)內(nèi)部,外部設(shè)備的存取是通過(guò)一組固定入口點(diǎn)進(jìn)行的,這些入口點(diǎn)由每個(gè)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序提供,由file_operations結(jié)構(gòu)向系統(tǒng)進(jìn)行說(shuō)明,

5、因此,編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作就是編寫子函數(shù),并填充file_operations的各個(gè)域。file_operations結(jié)構(gòu)在kernel/include/linux/fs.h中可以找到。struct file_operations struct module *owner;loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, l

6、off_t *);int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);int (*open) (struct inode *, struct file *);int (

7、*flush) (struct file *);int (*release) (struct inode *, struct file *);int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);int (*fasync) (int, struct file *, int);int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t

8、 *);ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);#ifdef MAGIC_ROM_PTRint (*

9、romptr) (struct file *, struct vm_area_struct *);#endif /* MAGIC_ROM_PTR */;其中主要的函數(shù)說(shuō)明如下：1. open 是驅(qū)動(dòng)程序用來(lái)完成設(shè)備初始化操作的, open還會(huì)增加設(shè)備計(jì)數(shù),以防止文件在關(guān)閉前模塊被卸載出內(nèi)核。open主要完成以下操作:檢查設(shè)備錯(cuò)誤(諸如設(shè)備未就緒或相似的硬件問(wèn)題);如果是首次打開(kāi),初始化設(shè)備;標(biāo)別次設(shè)備號(hào);分配和填寫要放在fileprivate_data內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);增加使用計(jì)數(shù)。2. read 用來(lái)從外部設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)其為指針時(shí),將引起read系統(tǒng)調(diào)用返回-EINVAL(“非法參數(shù)”)。函

10、數(shù)返回一個(gè)非負(fù)值表示成功地讀取了多少字節(jié)。3. write 向外部設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有這個(gè)函數(shù),write 系統(tǒng)調(diào)用向調(diào)用程序返回一個(gè)-EINVAL。如果返回值非負(fù),就表示成功地寫入的字節(jié)數(shù)。4. release是當(dāng)設(shè)備被關(guān)閉時(shí)調(diào)用這個(gè)操作。release的作用正好與open相反。這個(gè)設(shè)備方法有時(shí)也稱為close。它應(yīng)該完成以下操作:使用計(jì)數(shù)減1;釋放open分配在fileprivate_data中的內(nèi)存,在最后一次關(guān)閉操作時(shí)關(guān)閉設(shè)備。5. llseek 是改變當(dāng)前的讀寫指針。6. readdir 一般用于文件系統(tǒng)的操作。7. poll 一般用于查詢?cè)O(shè)備是否可讀可寫或處于特殊的狀態(tài)。8. i

11、octl 執(zhí)行設(shè)備專有的命令。9. mmap 將設(shè)備內(nèi)存映射到應(yīng)用程序的進(jìn)程地址空間。4.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫的具體內(nèi)容通過(guò)了解驅(qū)動(dòng)程序的file_operations 結(jié)構(gòu),用戶就可以編寫出相關(guān)外部設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。首先，用戶在自己的驅(qū)動(dòng)程序源文件中定義file_operations結(jié)構(gòu),并編寫出設(shè)備需要的各操作函數(shù)，對(duì)于設(shè)備不需要的操作函數(shù)用NULL初始化，這些操作函數(shù)將被注冊(cè)到內(nèi)核，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備相應(yīng)的設(shè)備文件進(jìn)行文件操作時(shí)，內(nèi)核會(huì)找到相應(yīng)的操作函數(shù)，并進(jìn)行調(diào)用。如果操作函數(shù)使用NULL，操作系統(tǒng)就進(jìn)行默認(rèn)的處理。定義并編寫完file_operations結(jié)構(gòu)的操作函數(shù)后，要定義一個(gè)初始

12、化函數(shù)，比如函數(shù)名可device_init(),在linux初始化的時(shí)候要調(diào)用該函數(shù)，因此，該函數(shù)應(yīng)包含以下幾項(xiàng)工作：a. 對(duì)該驅(qū)動(dòng)所使用到的硬件寄存器進(jìn)行初始化。包括中斷寄存器。b. 初始化設(shè)備相關(guān)的參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)每個(gè)設(shè)備要定義一個(gè)設(shè)備變量，用來(lái)保存設(shè)備相關(guān)的參數(shù)。c. 注冊(cè)設(shè)備。Linux內(nèi)核通過(guò)主設(shè)備號(hào)將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序同設(shè)備文件相連。每個(gè)設(shè)備有且僅有一個(gè)主設(shè)備號(hào)。通過(guò)查看linux系統(tǒng)中/proc下的devices文件，該文件記錄已經(jīng)使用的主設(shè)備號(hào)和設(shè)備名，選擇一個(gè)沒(méi)有使用的主設(shè)備號(hào)，調(diào)用下面的函數(shù)來(lái)注冊(cè)設(shè)備。int register_chrdev(unsigned int,const c

13、har*,struct file_operations*),其中的三個(gè)參數(shù)代表主設(shè)備號(hào)，設(shè)備名，file_operations的結(jié)構(gòu)地址。d. 注冊(cè)設(shè)備使用的中斷。注冊(cè)中斷使用的函數(shù)。int request_irq(unsigned irq,void(*handler)(int,void*,struct pt_regs*),unsigned long flags, const char* device, void* dev_id)；其中，irq是中斷向量。硬件系統(tǒng)將IRQn映射成中斷向量。handler-中斷處理函數(shù)。flags-中斷處理中的一些選項(xiàng)的掩碼。device-設(shè)備的名稱dev_id

14、-在中斷共享時(shí)使用的id。e. 其他的一些初始化工作，比如給設(shè)備分配I/O，申請(qǐng)DMA通道等。當(dāng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序使用了如下的函數(shù)方式，則設(shè)備驅(qū)動(dòng)可以動(dòng)態(tài)的加載和卸載int _init device_init (void)void _exit device_exit(void)module_init(device _init);module_exit(device _exit);當(dāng)然，也可以編譯進(jìn)內(nèi)核中。4.3 將設(shè)備驅(qū)動(dòng)加到linux內(nèi)核中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)懲旰?，就可以加到linux的內(nèi)核中了，這需要修改linux的源碼，然后重新編譯linux內(nèi)核。1. 將設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件（比如device_drive

15、r.c）復(fù)制到kernel/drivers/char目錄下，該目錄保存了linux的字符型設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)程序中，使用 int _int device_init(void)方式編寫。2. 在 kernel/drivers/char目錄下的Makefile文件中填加如下代碼：ifeq($(CONFIG_DEVICE_DRIVER),y)L_OBJS+= DEVICE_DRIVER.oendif或obj-$(CONFIG_DEVICE_DRIVER) += DEVICE_DRIVER.o如果在配置linux內(nèi)核的時(shí)候，選擇了支持我們定義的設(shè)備，則在編譯內(nèi)核的時(shí)候，會(huì)編譯DEVICE_DR

16、IVER.c，生成DEVICE_DRIVER.o文件。3. 在kernel/drivers/char目錄下修改config.in文件。在comment 'Character devices'下面填加：bool support for DEVICE_DRIVER CONFIG_DEVICE_DRIVER這樣在編譯內(nèi)核時(shí)，運(yùn)行make menuconfig時(shí)，在配置字符設(shè)備時(shí)就會(huì)出現(xiàn)support for DEVICE_DRIVER的字樣。當(dāng)選中它時(shí)，編譯通過(guò)，則驅(qū)動(dòng)程序就加到內(nèi)核中去了。在文件系統(tǒng)cramfs中加上設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)的設(shè)備文件。掛在操作系統(tǒng)中的設(shè)備都使用了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程

17、序，要使一個(gè)設(shè)備成為應(yīng)用程序可以訪問(wèn)的設(shè)備,必須在文件系統(tǒng)中有一個(gè)代表此設(shè)備的設(shè)備文件，通過(guò)使用設(shè)備文件,就可以對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行具體操作。設(shè)備文件都包含在/dev目錄下，linux使用的根文件系統(tǒng)是cramfs文件系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)只讀壓縮文件系統(tǒng)，要在制作cramfs文件系統(tǒng)之前，在root_tech目錄結(jié)構(gòu)中的/usr/etc/rc.local文件下，添加相應(yīng)的設(shè)備文件。用mknod命令來(lái)創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備文件：mknod device_driver c 120 0, device_driver為設(shè)備文件名，指的是字符設(shè)備,120是主設(shè)備號(hào),0為次設(shè)備號(hào)。device_driver這個(gè)名字與注冊(cè)

18、函數(shù)中使用的字符串要一致！ 4.4 將設(shè)備驅(qū)動(dòng)編譯成驅(qū)動(dòng)模塊 使用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的源代碼，當(dāng)然一定要如下定義某些函數(shù) int _init device_init (void)；void _exit device_exit(void)；module_init(device _init);module_exit(device_exit);利用相應(yīng)的交叉編譯器，以及編譯命令，就能把device_driver.c編譯成device_driver.o這樣的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)模塊。當(dāng)編譯通過(guò)后，利用nfs網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，mount到根文件系統(tǒng)下，在存有驅(qū)動(dòng)模塊的文件系統(tǒng)下，在linux系統(tǒng)的終端中，鍵入加載驅(qū)動(dòng)模塊命令 insmod device_driver.o,則系統(tǒng)安裝上驅(qū)動(dòng)模塊，如果在/dev目錄下沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)備文件，就可以使用 mknod device_name c 主設(shè)備號(hào) 從設(shè)備號(hào) 來(lái)創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備文件。從而正確使用驅(qū)動(dòng)模塊。當(dāng)卸載驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)，使用 rmmod device_driver即可。刪除設(shè)備文件則使用 r