Linux驱动程序接口

§1. Linux驱动程序接口

系统调用是操作系统内核与应用程序之间的接口，设备驱动程序则是操作系统内核与机器硬件的接口。几乎所有的系统操作最终映射到物理设备，除了CPU、内存和少数其它设备，所有的设备控制操作都由该设备特殊的可执行代码实现，此代码就是设备驱动程序。操作系统内核需要访问两类主要设备:字符设备和块设备。与此相关主要有两类设备驱动程序，字符设备驱动程序和块设备驱动程序。Linux（也是所有UNIX）的基本原理之一是：系统试图使它对所有各类设备的输入、输出看起来就好象对普通文件的输入、输出一样。设备驱动程序本身具有文件的外部特征，它们都能使用象 
open（），close（），read（），write（）等系统调用。为使设备的存取能象文件一样处理，所有设备在目录中应有对应的文件名称，才可使用有关系统调用。

通常Linux驱动程序接口分为如下四层： 
1).应用程序进程与内核的接口； 
2).内核与文件系统的接口； 
3).文件系统与设备驱动程序的接口； 
4).设备驱动程序与硬件设备的接口。

§2. 驱动程序文件操作数据结构

每个驱动程序都有一个file-operation的数据结构，包含指向驱动程序内部函数的指针。file-operation的数据结构为：
struct file-operation {

int （*lseek）（）；

int （*read）（）；

int （*write）（）；

int （*readdir）（）；

int （*select）（）；

int （*ioctl）（）；

int （*mmap）（）；

int （*open）（）；

int （*close）（）；

int （*release）（）；

int （*fsync）（）；

int （*fasync）（）；

int （*check-media-change）（）；

int （*revalidate）（）；

}

内核中有两个表，一个用于字符设备驱动程序，一个用于块设备驱动程序。这两个表用于保存指向file-operation数据结构的指针，驱动程序内部函数的地址保存在这一结构。内核用主设备号作为索引访问file-operation结构，可以访问驱动程序子程序地址。SBS617设备采用了PCI总线字符设备的驱动程序实现方式。完成了设备驱动程序,经GNU软件编译，链接，产生一可加载模块，可以用于动态装入Linux操作系统内核，也可以在需要时从内核中卸除。

§3. file_operations介绍

表示打开成功，返回负数表示失败。如果驱动程序没有提供open入口，则只要/dev/driver文件存在就认为打开成功。
(9) release，即close操作

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记，以便系统在适当的时候调用。

§4 PCI字符设备驱动程序

要设计PCI设备驱动程序，必须进一步结合硬件设备和PCI总线的特性。设计PCI设备驱动程序的重要任务是找寻相应的硬件并实现对它的访问。作为外围设备的硬件必须响应三种地址空间的访问，即内存，IO，寄存器地址空间（寄存器是CPU里面的，而内存是CPU外面数据总线上的）。前两种地址空间可以为PCI总线上的所有设备共享。寄存器空间占用物理地址,可以通过特殊的函数来访问配置寄存器。一旦可以访问配置寄存器，设备驱动程序就可以访问硬件了。每个设备的PCI配置寄存器均由256Bytes构成，其中64Bytes是标准化的,4Bytes标识了一个唯一的函数ID，通过这个ID驱动程序就可以定位该设备。

（PS：PCI（Peripheral ComponentInterconnect OR Personal Computer Interface），是一种连接电子计算机主板和外部设备的总线标准。PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的，支持即插即用 （plug and play）、中断共享等功能。分时复用的好处是一方面可以节省接插件的引脚数，另一方面便于实现突发数据传输。数据传输时，由一个PCI设备做发起者（主控、Initiator或Master），而另一个PCI设备做目标（从设备、Target或Slave）。总线上所有时序的产生与控制都由Master来发起。PCI总线在同一时刻只能供一对设备完成传输。这就要求有一个仲裁机构来决定谁有权拿到总线的主控权。）

存取系统中的字符设备和存取系统文件一样。应用程序使用标准的系统调用来打开、读写和关闭设备，就像使用一个文件-样。当字符设备初始化时，通过向 chrdevs数组中添加一个入口，设备驱动程序在系统内核中注册。chrdevs数组由device_struct数据结构组成。设备的主设备号用来作为此chrdevs的索引，因为一个设备的主设备号是固定的。

LINUX系统里，通过调用register_chrdev向系统注册字符型设备驱动程序。register_chrdev定义为：

#include linux/fs.h

#include linux/errno.h

intregister_chrdev(unsigned int major, const char *name,struct file_operations*fops);

表示成功。返回-EINVAL表示申请的主设备号非法，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，此函数将返回所分配的主设备号。

§5 PCI设备启动与检测

PC主板BIOS在系统启动时,可以自动检测PCI设备并配置设备的每一地址区。当驱动程序访问设备时，它的内存、I/O地址空间已经映射到进程的地址空间了。在驱动程序init_module()中，通过调用函数pcibios_find_device()函数返回设备在总线上的位置及函数指针，其中的包含文件及函数原型为：

#include Linux/pci.h

#include Linux/config.h

#include Linux/bios32.h

intpcibios_find_device(unsigned short vendor, unsigned short id, unsigned shortindex, unsigned char *bus, unsigned short *function)

§6 地址空间访问

在设备驱动程序检测到设备之后,通常要从三个地址空间读写数据，其中寄存器空间的读写尤为重要,因为只有通过它驱动程序才可能找到设备内存和I/O空间的映射地址。设备驱动程序通过调用以下函数实现寄存器空间的访问，其中的包含文件及函数原型为：

#include Linux/bios32.h

int pcibios_read_config_byte（unsigned char bus， unsigned char function，unsigned char where，unsignedchar b*ptr）

int pcibios_write_config_byte（unsignedchar bus， unsigned char function，unsigned char where，unsignedchar b*ptr）

类似的还有:

个地址区,类型可以为内存区或I/O区。接口板可以通过配置寄存器的PCI_BASE_ADDRESS_0 到PCI_BASE_ADDRESS_5来报告各地址区的实际地址位置。内存、IO空间的访问通过inb（），memcpy（）等调用。当然可以通过pcibios_read_config_byte()，pcibios_write_config_byte() 来访问配置寄存器的相应基地址值。

§7 中断处理

对中断的处理是属于系统核心的部分, PC主板BIOS为多数设备分配了一个唯一的中断号,在配置寄存器中保存, 设备驱动程序通过pcibios_read_config_byte() 函数读取相应的值,格式为:

xxx_irq=pcibios_read_config_byte(pci_bus,pci_device_fn, PCI_INTERRUPT_LINE, &pci_cofig->int_line)

操作系统中有中断寄存器,将特定的中断请求与中断处理函数联系在一起,当中断发生时调用相应的中断处理函数处理。Linux操作系统下可用request_irq(),free_irq( )实现中断的请求,释放,其中包含文件及形式为:

#include Linux/sched.h

int request_irq(unsigned int irq, void (*handler)(int irq,void dev_id, structpt_regs *regs), unsigned long flags, const char *device, void *dev_id);

void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);

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，将会出现在/proc/interrupts文件里。

flag是申请时的选项，它决定中断处理程序的一些特性，有两种方式写中断方式设备驱动程序：即快中断方式和定时等待方式。采取快中断方式需要将request_irq()的第三个type类型参数设为SA_INTERRUPT。正常中断与快中断的区别在于: 从正常中断返回时,内核可以利用机会调度更优先的进程执行; 而快中断不进行调度立即恢复被中断程序的执行.

表示成功，返回-INVAL表示irq>15或handler==NULL，返回-EBUSY表示中断已经被占用且不能共享。

中断处理函数形式为:

void xxx_irq_handler(int xxx_irq,void *dev_id, structpt_regs *regs)

§8 特殊控制函数ioctl()

ioctl()具有设备特殊性,不同于read(), write(),在于它允许应用程序访问、配置设备，并进入可能的操作模式。通常的read()、write()不能使用这些控制操作。ioctl()可以控制I/O通道。设备驱动的一个特点是要与其它设备硬件交换读/写的数据并需要同步控制。

多数的ioctl()由一系列的switch语句组成， ioctl()命令及操作选择考虑到硬件的特性和实际要实现的功能。写ioctl()程序之前，应选择相应的命令，不应该简单使用1-N的数字。选择ioctl()的命令有以下的考虑:

）首先命令码在系统中应该唯一，以避免与其它设备冲突，每个命令码应由多个比特域构成。

）参考两个文件来帮助选择ioctl()的命令，include/asm/ioctl.h及Documentation/ioctl_number.txt有如下定义：

比特组，其相应取值的宏定义及含义如下表：

命令码取值宏定义及含义

比特组名称取值宏定义含义

type _IOC_TYEBITS 表示每个驱动程序唯一的类型标识

number _IOC_NRBITS 表示序列号

direction _IOC_NONE, _IOC_READ,

_IOC_WRITE,_IOC_READ|WRITE 表示数据传输的方向

size _IOC_SIZEBITS 表示传输数据的大小

在头文件< asm/ioctl.h >中定义了设置命令码的一些有用的宏:

_IO(type,nr);

表示成功，-1失败。

§9.调用Linux内核函数

Linux有许多内核函数可以调用。例如；

1)memcpy_fromfs( *toptr, *fromptr,sizeof()); // 用于从文件系统传输数据 
2)memcpy_tofs ( *toptr, *fromptr,sizeof()); // 用于将数据传输到文件系统

#include asm/segment.h

voidmemcpy_fromfs(void * toptr,const void * fromptr,unsigned long n);

void memcpy_tofs(void* toptr,const void * fromptr,unsigned long n);

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复制，memcpy_tofs则反之。参数toptr为复制的目的指针，fromptr为源指针，n 为要复制的字节数。

3） ptr= vmalloc( sizeof() );// 动态分配内存 
4）vfree( ptr ); // 动态释放内存 
5）vremap( xxx_mapping[ chn ].pci_addr, xxx_mapping[chn ].len );

// 映射PCI地址，

chn =current_map_chn. 
6)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和free，而调用kmalloc和kfree，定义为：

#include linux/kernel.h

void* kmalloc(unsigned int len, int priority);

voidkfree(void * ptr);

参数len为希望申请的字节数，ptr为要释放的内存指针。priority为分配内存操作的优先级，即在没有足够空闲内存时如何操作，一般用GFP_KERNEL。 
7)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 
就不会导致诸如\"segmentationfault\"一类的错误发生。任何进程都可以访问任何一个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。
这样需要用到如下几个函数：

int check_region(unsigned int from, unsigned int extent);

voidrequest_region(unsigned int from, unsigned int extent, const char *name);

voidrelease_region(unsigned int from, unsigned int extent);

表示I/O端口空闲，否则为正在被使用。 
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：

#include asm/io.h

inline unsigned int inb(unsigned short port);

inline unsigned int inb_p(unsigned short port);

inline void outb(char value, unsigned short port);

inline void outb_p(char value, unsigned short port);

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。

9)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： 
#include asm/param.h 
#include linux/timer.h

void add_timer(struct timer_list * timer); 
int del_timer(struct timer_list * timer); 
inline void init_timer(struct timer_list * timer);

struct timer_list的定义为：

struct timer_list { 
struct timer_list *next; 
struct timer_list *prev; 
unsigned long expires; 
unsigned long data; 
void (*function)(unsigned long d); 
};

其中expires是要执行function的时间。系统核心有一个全局变量JIFFIES 
表示当前时间，一般在调用add_timer时jiffies=JIFFIES+num,表示在num个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，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 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，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里再一次调用add_timer。function的参数d即为timer里面的data项。 
10)在设备驱动程序里，还可能会用到如下的一些系统函数：

#include asm/system.h

#define cli() __asm__ __volatile__ (\"cli\"::)

#define sti() __asm__ __volatile__ (\"sti\"::)

这两个函数负责打开和关闭中断允许。 
11)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 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。