📄 program-device-driver.html
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/* Curr. posn in file */
<br> unsigned short f_flags;
/* The flags arg passed to open */
<br> unsigned short f_count;
/* Number of opens on this file */
<br> unsigned short f_reada;
<br> struct inode *f_inode;
/* pointer to the inode struct */
<br> struct file_operations *f_op;/*
pointer to the fops struct*/
<br>};
<br>
<br>在结构file_operations里，指出了设备驱动程序所提供的入口点位置，分
<br>别是：
<br>(1) lseek，移动文件指针的位置，显然只能用于可以随机存取的设备。
<br>(2) read，进行读操作，参数buf为存放读取结果的缓冲区，count为所要
<br>读取的数据长度。返回值为负表示读取操作发生错误，否则返回实际读取
<br>的字节数。对于字符型，要求读取的字节数和返回的实际读取字节数都必
<br>须是inode->i_blksize的的倍数。
<br>(3) write，进行写操作，与read类似。
<br>(4) readdir，取得下一个目录入口点，只有与文件系统相关的设备驱动程序
<br>才使用。
<br>(5) selec，进行选择操作，如果驱动程序没有提供select入口，select操
<br>作将会认为设备已经准备好进行任何的I/O操作。
<br>(6) ioctl，进行读、写以外的其它操作，参数cmd为自定义的的命令。
<br>(7) mmap，用于把设备的内容映射到地址空间，一般只有块设备驱动程序使
<br>用。
<br>(8) open，打开设备准备进行I/O操作。返回0表示打开成功，返回负数表
<br>示失败。如果驱动程序没有提供open入口，则只要/dev/driver文件存
<br>在就认为打开成功。
<br>(9) release，即close操作。
<br>设备驱动程序所提供的入口点，在设备驱动程序初始化的时候向系统进行登
<br>记，以便系统在适当的时候调用。LINUX系统里，通过调用register_chrdev
<br>向系统注册字符型设备驱动程序。register_chrdev定义为：
<br> #include <linux/fs.h>
<br> #include <linux/errno.h>
<br> int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
<br>
struct file_operations *fops);
<br>其中，major是为设备驱动程序向系统申请的主设备号，如果为0则系统为此
<br>驱动程序动态地分配一个主设备号。name是设备名。fops就是前面所说的对各个
<br>调用的入口点的说明。此函数返回0表示成功。返回-EINVAL表示申请的主设备号
<br>非法，一般来说是主设备号大于系统所允许的最大设备号。返回-EBUSY表示所申
<br>请的主设备号正在被其它设备驱动程序使用。如果是动态分配主设备号成功，此
<br>函数将返回所分配的主设备号。如果register_chrdev操作成功，设备名就会出
<br>现在/proc/devices文件里。
<br>初始化部分一般还负责给设备驱动程序申请系统资源，包括内存、中断、时
<br>钟、I/O端口等，这些资源也可以在open子程序或别的地方申请。在这些资源不
<br>用的时候，应该释放它们，以利于资源的共享。
<br>在UNIX系统里，对中断的处理是属于系统核心的部分，因此如果设备与系
<br>统之间以中断方式进行数据交换的话，就必须把该设备的驱动程序作为系统核心
<br>的一部分。设备驱动程序通过调用request_irq函数来申请中断，通过free_irq
<br>来释放中断。它们的定义为：
<br>#include <linux/sched.h>
<br>int request_irq(unsigned int irq,
<br>
void (*handler)(int irq,void dev_id,struct pt_regs *regs),
<br>
unsigned long flags,
<br>
const char *device,
<br>
void *dev_id);
<br>void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);
<br>参数irq表示所要申请的硬件中断号。handler为向系统登记的中断处理子
<br>程序，中断产生时由系统来调用，调用时所带参数irq为中断号，dev_id为申
<br>请时告诉系统的设备标识，regs为中断发生时寄存器内容。device为设备名，
<br>将会出现在/proc/interrupts文件里。flag是申请时的选项，它决定中断处理
<br>程序的一些特性，其中最重要的是中断处理程序是快速处理程序（flag里设置
<br>了SA_INTERRUPT）还是慢速处理程序（不设置SA_INTERRUPT），快速处理程序
<br>运行时，所有中断都被屏蔽，而慢速处理程序运行时，除了正在处理的中断外，
<br>其它中断都没有被屏蔽。在LINUX系统中，中断可以被不同的中断处理程序共享，
<br>这要求每一个共享此中断的处理程序在申请中断时在flags里设置SA_SHIRQ，
<br>这些处理程序之间以dev_id来区分。如果中断由某个处理程序独占，则dev_id
<br>可以为NULL。request_irq返回0表示成功，返回-INVAL表示irq>15或
<br>handler==NULL，返回-EBUSY表示中断已经被占用且不能共享。
<br>作为系统核心的一部分，设备驱动程序在申请和释放内存时不是调用malloc
<br>和free，而代之以调用kmalloc和kfree，它们被定义为：
<br>#include <linux/kernel.h>
<br>void * kmalloc(unsigned int len, int priority);
<br>void kfree(void * obj);
<br>参数len为希望申请的字节数，obj为要释放的内存指针。priority为分配内存操
<br>作的优先级，即在没有足够空闲内存时如何操作，一般用GFP_KERNEL。
<br>与中断和内存不同，使用一个没有申请的I/O端口不会使CPU产生异常，也
<br>就不会导致诸如“segmentation fault"一类的错误发生。任何进程都可以访问
<br>任何一个I/O端口。此时系统无法保证对I/O端口的操作不会发生冲突，甚至会
<br>因此而使系统崩溃。因此，在使用I/O端口前，也应该检查此I/O端口是否已有
<br>别的程序在使用，若没有，再把此端口标记为正在使用，在使用完以后释放它。
<br>这样需要用到如下几个函数：
<br>int check_region(unsigned int from, unsigned int extent);
<br>void request_region(unsigned int from, unsigned int extent,
<br>
const char *name);
<br>void release_region(unsigned int from, unsigned int extent);
<br>调用这些函数时的参数为：from表示所申请的I/O端口的起始地址；
<br>extent为所要申请的从from开始的端口数；name为设备名，将会出现在
<br>/proc/ioports文件里。check_region返回0表示I/O端口空闲，否则为正在
<br>被使用。
<br>在申请了I/O端口之后，就可以如下几个函数来访问I/O端口：
<br>#include <asm/io.h>
<br>inline unsigned int inb(unsigned short port);
<br>inline unsigned int inb_p(unsigned short port);
<br>inline void outb(char value, unsigned short port);
<br>inline void outb_p(char value, unsigned short port);
<br>其中inb_p和outb_p插入了一定的延时以适应某些慢的I/O端口。
<br>在设备驱动程序里，一般都需要用到计时机制。在LINUX系统中，时钟是由
<br>系统接管，设备驱动程序可以向系统申请时钟。与时钟有关的系统调用有：
<br>#include <asm/param.h>
<br>#include <linux/timer.h>
<br>void add_timer(struct timer_list * timer);
<br>int del_timer(struct timer_list * timer);
<br>inline void init_timer(struct timer_list * timer);
<br>struct timer_list的定义为：
<br>struct timer_list {
<br>
struct timer_list *next;
<br>
struct timer_list *prev;
<br>
unsigned long expires;
<br>
unsigned long data;
<br>
void (*function)(unsigned long d);
<br> };
<br>其中expires是要执行function的时间。系统核心有一个全局变量JIFFIES
<br>表示当前时间，一般在调用add_timer时jiffies=JIFFIES+num,表示在num个
<br>系统最小时间间隔后执行function。系统最小时间间隔与所用的硬件平台有关，
<br>在核心里定义了常数HZ表示一秒内最小时间间隔的数目，则num*HZ表示num
<br>秒。系统计时到预定时间就调用function，并把此子程序从定时队列里删除，
<br>因此如果想要每隔一定时间间隔执行一次的话，就必须在function里再一次调
<br>用add_timer。function的参数d即为timer里面的data项。
<br>在设备驱动程序里，还可能会用到如下的一些系统函数：
<br>#include <asm/system.h>
<br>#define cli() __asm__ __volatile__ ("cli"::)
<br>#define sti() __asm__ __volatile__ ("sti"::)
<br>这两个函数负责打开和关闭中断允许。
<br>#include <asm/segment.h>
<br>void memcpy_fromfs(void * to,const void * from,unsigned long n);
<br>void memcpy_tofs(void * to,const void * from,unsigned long n);
<br>在用户程序调用read 、write时，因为进程的运行状态由用户态变为核心
<br>态，地址空间也变为核心地址空间。而read、write中参数buf是指向用户程
<br>序的私有地址空间的，所以不能直接访问，必须通过上述两个系统函数来访问用
<br>户程序的私有地址空间。memcpy_fromfs由用户程序地址空间往核心地址空间
<br>复制，memcpy_tofs则反之。参数to为复制的目的指针，from为源指针，n
<br>为要复制的字节数。
<br>在设备驱动程序里，可以调用printk来打印一些调试信息，用法与printf
<br>类似。printk打印的信息不仅出现在屏幕上，同时还记录在文件syslog里。
<br>
<br>3.3、LINUX系统下的具体实现
<br>在LINUX里，除了直接修改系统核心的源代码，把设备驱动程序加进核心里
<br>以外，还可以把设备驱动程序作为可加载的模块，由系统管理员动态地加载它，
<br>使之成为核心地一部分。也可以由系统管理员把已加载地模块动态地卸载下来。
<br>LINUX中，模块可以用C语言编写，用gcc编译成目标文件（不进行链接，作
<br>为*.o文件存在），为此需要在gcc命令行里加上-c的参数。在编译时，还应该在
<br>gcc的命令行里加上这样的参数：-D__KERNEL__ -DMODULE。由于在不链接时，
<br>gcc只允许一个输入文件，因此一个模块的所有部分都必须在一个文件里实现。
<br>编译好的模块*.o放在/lib/modules/xxxx/misc下（xxxx表示核心版本，如
<br>在核心版本为2.0.30时应该为/lib/modules/2.0.30/misc），然后用depmod
-a
<br>使此模块成为可加载模块。模块用insmod命令加载，用rmmod命令来卸载，并可
<br>以用lsmod命令来查看所有已加载的模块的状态。
<br>编写模块程序的时候，必须提供两个函数，一个是int init_module(void)，
<br>供insmod在加载此模块的时候自动调用，负责进行设备驱动程序的初始化工作。
<br>init_module返回0以表示初始化成功，返回负数表示失败。另一个函数是void
<br>cleanup_module (void)，在模块被卸载时调用，负责进行设备驱动程序的清除
<br>工作。
<br>在成功的向系统注册了设备驱动程序后（调用register_chrdev成功后），
<br>就可以用mknod命令来把设备映射为一个特别文件，其它程序使用这个设备的时
<br>候，只要对此特别文件进行操作就行了。
<br>
<br>
<br>附录：参考文献
<br>
<br>1、 《UNIX操作系统设计与实现》
<br> 陈华瑛、李建国主编
<br> 电子工业出版社出版
<br>2、 《Linux Kernel Hacker's Guide》
<br> 作者：Michael K. Johnson
<br>3、 《Kernel Jorn》
<br> 作者：Alessandro Rubini & Georg Zezchwitz
<br> 连载于《Linux Journal》1996年36期
<br>4、 Linux核心源代码（核心版本2.0.30）
<br>5、 Linux-HOWTO
<br>
<br>--
<br>
<br>沧海一声笑
<br>滔滔两岸潮
<br>浮沉随浪只记今朝
<br>来!共进一杯
<br>让我们歌〖笑傲江湖〗到通宵!!!
<br>
<br>※ 来源:·BBS 水木清华站 bbs.net.tsinghua.edu.cn·[FROM: ie0.ie.ac.cn]
<br>
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