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介绍linux下文件和设备编程

　　将io.h中的宏定义__OUT(b,”b”char)展开后可得如下定义：<p>
<br>
extern inline void outb(unsigned char value, unsigned short port) {<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; __asm__ __volatile__ (&quot;outb %&quot; &quot;b &quot; &quot;0,%&quot; &quot;w&quot; &quot;1&quot;<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; : : &quot;a&quot; (value), &quot;Nd&quot; (port));<br>
}<p>
extern inline void outb_p(unsigned char value, unsigned short port) {<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; __asm__ __volatile__ (&quot;outb %&quot; &quot;b &quot; &quot;0,%&quot; &quot;w&quot; &quot;1&quot;<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; __FULL_SLOW_DOWN_IO<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; : : &quot;a&quot; (value), &quot;Nd&quot; (port));<br>
}<p>
<p>
　　可以看出，outb_p()函数的实现中被插入了宏__FULL_SLOWN_DOWN_IO，以实现微小的延时。宏__FULL_SLOWN_DOWN_IO在头文件io.h中一开始就被定义：<p>
<br>
#ifdef SLOW_IO_BY_JUMPING<br>
#define __SLOW_DOWN_IO &quot;<br>
jmp 1f<br>
1:&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; jmp 1f<br>
1:&quot;<br>
#else<br>
#define __SLOW_DOWN_IO &quot;<br>
outb %%al,$0x80&quot;<br>
#endif<p>
#ifdef REALLY_SLOW_IO<br>
#define __FULL_SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO<br>
　　__SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO<br>
#else<br>
#define __FULL_SLOW_DOWN_IO __SLOW_DOWN_IO<br>
#endif<p>
<p>
　　显然，__FULL_SLOW_DOWN_IO就是一个或四个__SLOW_DOWN_IO（根据是否定义了宏REALLY_SLOW_IO来决定），而宏__SLOW_DOWN_IO则被定义成毫无意义的跳转语句或写端口0x80的操作（根据是否定义了宏SLOW_IO_BY_JUMPING来决定）。<p>
3．6 访问I/O内存资源<p>
　　尽管I/O端口空间曾一度在x86平台上被广泛使用，但是由于它非常小，因此大多数现代总线的设备都以内存映射方式（Memory－mapped）来映射它的I/O端口（指I/O寄存器）和外设内存。基于内存映射方式的I/O端口（指I/O寄存器）和外设内存可以通称为“I/O内存”资源（I/O Memory）。因为这两者在硬件实现上的差异对于软件来说是完全透明的，所以驱动程序开发人员可以将内存映射方式的I/O端口和外设内存统一看作是“I/O内存”资源。<p>
　　从前几节的阐述我们知道，I/O内存资源是在CPU的单一内存物理地址空间内进行编址的，也即它和系统RAM同处在一个物理地址空间内。因此通过CPU的访内指令就可以访问I/O内存资源。<p>
　　一般来说，在系统运行时，外设的I/O内存资源的物理地址是已知的，这可以通过系统固件（如BIOS）在启动时分配得到，或者通过设备的硬连线（hardwired）得到。比如，PCI卡的I/O内存资源的物理地址就是在系统启动时由PCI BIOS分配并写到PCI卡的配置空间中的BAR中的。而ISA卡的I/O内存资源的物理地址则是通过设备硬连线映射到640KB－1MB范围之内的。但是CPU通常并没有为这些已知的外设I/O内存资源的物理地址预定义虚拟地址范围，因为它们是在系统启动后才已知的（某种意义上讲是动态的），所以驱动程序并不能直接通过物理地址访问I/O内存资源，而必须将它们映射到核心虚地址空间内（通过页表），然后才能根据映射所得到的核心虚地址范围，通过访内指令访问这些I/O内存资源。<p>
　　3．6．1 映射I/O内存资源<p>
　　Linux在io.h头文件中声明了函数ioremap（），用来将I/O内存资源的物理地址映射到核心虚地址空间（3GB－4GB）中，如下：<p>
<br>
void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);<br>
void iounmap(void * addr);<p>
<p>
　　函数用于取消ioremap（）所做的映射，参数addr是指向核心虚地址的指针。这两个函数都是实现在mm/ioremap.c文件中。具体实现可参考《情景分析》一书。<p>
　　3．6．2 读写I/O内存资源<p>
　　在将I/O内存资源的物理地址映射成核心虚地址后，理论上讲我们就可以象读写RAM那样直接读写I/O内存资源了。但是，由于在某些平台上，对I/O内存和系统内存有不同的访问处理，因此为了确保跨平台的兼容性，Linux实现了一系列读写I/O内存资源的函数，这些函数在不同的平台上有不同的实现。但在x86平台上，读写I/O内存与读写RAM无任何差别。如下所示（include/asm-i386/io.h）：<p>
<br>
#define readb(addr) (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr))<br>
#define readw(addr) (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr))<br>
#define readl(addr) (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr))<p>
#define writeb(b,addr) (*(volatile unsigned char *) __io_virt(addr) = (b))<br>
#define writew(b,addr) (*(volatile unsigned short *) __io_virt(addr) = (b))<br>
#define writel(b,addr) (*(volatile unsigned int *) __io_virt(addr) = (b))<p>
#define memset_io(a,b,c)&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; memset(__io_virt(a),(b),(c))<br>
#define memcpy_fromio(a,b,c) memcpy((a),__io_virt(b),(c))<br>
#define memcpy_toio(a,b,c)&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; memcpy(__io_virt(a),(b),(c))<p>
　　上述定义中的宏__io_virt()仅仅检查虚地址addr是否是核心空间中的虚地址。该宏在内核2.4.0中的实现是临时性的。具体的实现函数在arch/i386/lib/Iodebug.c文件。<p>
　　显然，在x86平台上访问I/O内存资源与访问系统主存RAM是无差别的。但是为了保证驱动程序的跨平台的可移植性，我们应该使用上面的函数来访问I/O内存资源，而不应该通过指向核心虚地址的指针来访问。<p>
<br>



<center><A HREF="#Content">[目录]</A></center>
<hr><br><A NAME="I473" ID="I473"></A><center><b><font size=+2>from smth</font></b></center><br>



<center><A HREF="#Content">[目录]</A></center>
<hr><br><A NAME="I474" ID="I474"></A><center><b><font size=+2>基本结构</font></b></center><br>
1.UNIX下设备驱动程序的基本结构<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在UNIX系统里，对用户程序而言，设备驱动程序隐藏了设备的具体细节，对各种不同设备提供了一致的接口，一般来说是把设备映射为一个特殊的设备文件，用户程序可以象对其它文件一样对此设备文件进行操作。UNIX对硬件设备支持两个标准接口：块特别设备文件和字符特别设备文件，通过块（字符）特别 设备文件存取的设备称为块（字符）设备或具有块（字符）设备接口。 块设备接口仅支持面向块的I/O操作，所有I/O操作都通过在内核地址空间中的I/O缓冲区进行，它可以支持几乎任意长度和任意位置上的I/O请求，即提供随机存取的功能。<p>
&nbsp;&nbsp;&nbsp; 字符设备接口支持面向字符的I/O操作，它不经过系统的快速缓存，所以它们负责管理自己的缓冲区结构。字符设备接口只支持顺序存取的功能，一般不能进行任意长度的I/O请求，而是限制I/O请求的长度必须是设备要求的基本块长的倍数。显然，本程序所驱动的串行卡只能提供顺序存取的功能，属于是字符设备，因此后面的讨论在两种设备有所区别时都只涉及字符型设备接口。设备由一个主设备号和一个次设备号标识。主设备号唯一标识了设备类型，即设备驱动程序类型，它是块设备表或字符设备表中设备表项的索引。次设备号仅由设备驱动程序解释，一般用于识别在若干可能的硬件设备中，I/O请求所涉及到的那个设备。<p>
设备驱动程序可以分为三个主要组成部分：<p>
&nbsp;&nbsp;&nbsp; (1) 自动配置和初始化子程序，负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和是否能正常工作。如果该设备正常，则对这个设备及其相关的、设备驱动程序需要的软件状态进行初始化。这部分驱动程序仅在初始化的时候被调用一次。<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp; (2) 服务于I/O请求的子程序，又称为驱动程序的上半部分。调用这部分是由于系统调用的结果。这部分程序在执行的时候，系统仍认为是和进行调用的进程属于同一个进程，只是由用户态变成了核心态，具有进行此系统调用的用户程序的运行环境，因此可以在其中调用sleep()等与进程运行环境有关的函数。<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp; (3) 中断服务子程序，又称为驱动程序的下半部分。在UNIX系统中，并不是直接从中断向量表中调用设备驱动程序的中断服务子程序，而是由UNIX系统来接收硬件中断，再由系统调用中断服务子程序。中断可以产生在任何一个进程运行的时候，因此在中断服务程序被调用的时候，不能依赖于任何进程的状态，也就不能调用任何与进程运行环境有关的函数。因为设备驱动程序一般支持同一类型的若干设备，所以一般在系统调用中断服务子程序的时候，都带有一个或多个参数，以唯一标识请求服务的设备。<p>
&nbsp;&nbsp;&nbsp; 在系统内部，I/O设备的存取通过一组固定的入口点来进行，这组入口点是由每个设备的设备驱动程序提供的。一般来说，字符型设备驱动程序能够提供如下几个入口点：<br>
(1) open入口点。打开设备准备I/O操作。对字符特别设备文件进行打开操作，都会调用设备的open入口点。open子程序必须对将要进行的I/O操作做好必要的准备工作，如清除缓冲区等。如果设备是独占的，即同一时刻只能有一个程序访问此设备，则open子程序必须设置一些标志以表示设备处于忙状态。<br>
(2) close入口点。关闭一个设备。当最后一次使用设备终结后，调用close子程序。独占设备必须标记设备可再次使用。<br>
(3) read入口点。从设备上读数据。对于有缓冲区的I/O操作，一般是从缓冲区里读数据。对字符特别设备文件进行读操作将调用read子程序。<br>
(4) write入口点。往设备上写数据。对于有缓冲区的I/O操作，一般是把数据写入缓冲区里。对字符特别设备文件进行写操作将调用write子程序。<br>
(5) ioctl入口点。执行读、写之外的操作。<br>
(6) select入口点。检查设备，看数据是否可读或设备是否可用于写数据。select系统调用在检查与设备特别文件相关的文件描述符时使用select入口点。如果设备驱动程序没有提供上述入口点中的某一个，系统会用缺省的子程序来代替。对于不同的系统，也还有一些其它的入口点。<p>
<p>
<br>



<center><A HREF="#Content">[目录]</A></center>
<hr><br><A NAME="I475" ID="I475"></A><center><b><font size=+2>驱动程序</font></b></center><br>
2.LINUX系统下的设备驱动程序<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp; 具体到LINUX系统里，设备驱动程序所提供的这组入口点由一个结构来向系统进行说明，此结构定义为：<p>
#include &lt;linux/fs.h&gt;<br>
struct file_operations {<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; int (*lseek)(struct inode *inode,struct file *filp,<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; off_t off,int pos);<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; int (*read)(struct inode *inode,struct file *filp,<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; char *buf, int count);<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; int (*write)(struct inode *inode,struct file *filp,<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; char *buf,int count);<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; int (*readdir)(struct inode *inode,struct file *filp,<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; struct dirent *dirent,int count);<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; int (*select)(struct inode *inode,struct file *filp,<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; int sel_type,select_table *wait);<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; int (*ioctl) (struct inode *inode,struct file *filp,<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; unsigned int cmd,unsigned int arg);<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; int (*mmap) (void);<p>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp);<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; void (*release) (struct inode *inode, struct file *filp);<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; int (*fsync) (struct inode *inode, struct file *filp);<br>
};<p>
其中，struct inode提供了关于特别设备文件/dev/driver（假设此设备名为driver）的信息，它的定义为：<p>
#include &lt;linux/fs.h&gt;<br>
struct inode {<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; dev_t&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; i_dev;<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; unsigned long&nbsp;&nbsp;&nbsp; i_ino;&nbsp; /* Inode number */<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; umode_t&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; i_mode; /* Mode of the file */<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; nlink_t&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; i_nlink;<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; uid_t&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; i_uid;<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; gid_t&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; i_gid;<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; dev_t&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; i_rdev;&nbsp; /* Device major and minor numbers*/<br>
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; off_t&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;