Linux的驱动机制及实现

1 Linux驱动与模块 1.1 Linux的模块 驱动程序为了与外设硬件进行交互，必须调用Linux内核提供的内存管理、文件系统等 多种功能函数。而用户态的程序只能通过系统调用来使用有限的内核功能，因此驱动程序在 linux系统中被安排在内核态运行，也即可以访问所有的内核功能。 但是为了把内核通用功能与这些驱动程序区分开来，Linux 通常要求驱动程序作为一个 模块(module)在内核空间运行，并且由内核进行管理。当然，实际上模块并非只能用来编写 驱动程序，模块可以作为任何一个独立的功能块，操作内核函数并通过特定接口向应用程序 提供服务。 1.2 模块的编写要求 模块的代码中，必须加入以下头文件，才能正确地引用模块机制的若干函数： #include <linux/module.h> #include<linux/init.h> 当然，如果编写的模块是驱动程序，则还需要加入与驱动程序相关的内存管理、设备注 册、中断管理等头文件。 模块与通常的应用程序不同，并没有一个main函数，而是一些相互作用的函数的集合。 当然，这些集合中必须有一个首先调用的初始化函数，以及一个退出函数。 初始化函数：在模块加载时被调用，负责申请并初始化模块运行时必须的数据结构，此 后这些结构有可能在模块存续期间一直存在。 退出函数：在模块卸载时被调用，卸载后模块内任何数据结构都不该继续存在，因此退 出函数必须仔细的把模块运行带来的所有数据结构释放掉，否则将会造成内存泄露。 为了使内核知道模块中初始化函数和退出函数的函数名，必须用以下两个宏来定义： module_init(s3c_ts_init); module_exit(s3c_ts_exit); 上例中s3c_ts_init被定义为模块的初始化函数，s3c_ts_exit被定 ### Linux的驱动机制及其实现 #### 1. Linux驱动与模块 ##### 1.1 Linux的模块 在Linux系统中，驱动程序扮演着连接硬件设备与操作系统的关键角色。为了与外设硬件进行有效的交互，驱动程序需要调用Linux内核提供的各种功能，如内存管理、文件系统操作等。然而，用户态程序只能通过系统调用来访问内核的一小部分功能，因此驱动程序在Linux系统中被安排在内核态运行，这意味着它们可以直接访问所有内核提供的功能。 尽管如此，为了区分内核的通用功能和特定于设备的驱动程序，Linux采用了一种模块化的架构。具体来说，驱动程序通常作为一个**模块(module)**在内核空间中运行，并由内核进行管理和调度。模块不仅限于驱动程序，还可以是任何独立的功能块，它们可以通过特定的接口操作内核函数并向应用程序提供服务。 ##### 1.2 模块的编写要求 为了编写一个Linux模块，开发人员需要遵循一定的规则和要求。模块的代码中必须包含以下头文件，以便能够正确引用模块机制所需的函数： ```c #include <linux/module.h> #include <linux/init.h> ``` 如果编写的模块是驱动程序，则还应该包含与驱动程序相关的其他头文件，如内存管理、设备注册、中断管理等。 与传统的应用程序不同，Linux模块没有`main`函数。相反，它们是由一组相互作用的函数组成，其中必须包括一个初始化函数和一个退出函数。初始化函数在模块加载时被调用，负责申请并初始化模块运行时必需的数据结构。这些数据结构可能会在整个模块生命周期中持续存在。退出函数则在模块卸载时被调用，它负责释放模块运行期间创建的所有资源，避免内存泄漏等问题的发生。 为了告知内核初始化函数和退出函数的名称，开发人员需要使用如下两个宏： ```c module_init(s3c_ts_init); module_exit(s3c_ts_exit); ``` 这里的`s3c_ts_init`和`s3c_ts_exit`分别是初始化函数和退出函数的名称。 ##### 1.3 模块的编译 Linux模块可以根据需求以不同的方式进行编译。模块可以被包含在内核中，也可以作为外部模块存在于内核之外。 - **包含在内核中的模块**：当Linux启动时，这些模块会被自动初始化（即调用其初始化函数）。这种方式的优点是可以减少系统启动时间，但会增加内核的大小。 - **外部模块**：这些模块可以在内核启动之后通过外部命令（如`insmod`）动态加载到内核中。这种方式更为灵活，允许按需加载模块，但也意味着增加了系统的初始化时间。 对于外部模块的编译，通常会使用一个简单的Makefile文件，如下所示： ```makefile obj-m := module.o module-objs := file1.o file2.o make -C ~/kernel-2.6 M='pwd' modules ``` 这段Makefile指示了如何编译名为`module.o`的模块，该模块由`file1.c`和`file2.c`两个源文件编译而来。`make -C ~/kernel-2.6 M='pwd' modules`这一命令指定了内核源代码的位置。 在嵌入式平台上，通常会将驱动模块作为内核内部模块编译，以生成单一的镜像文件。这通常通过`make menuconfig`等工具完成，配置工具会根据选项生成一系列`CONFIG_`变量，用于指定模块的编译类型（内部模块或外部模块）。 #### 1.4 内部驱动模块的加载 对于编译到Linux内核内部的驱动模块，在Linux启动过程中会自动加载这些模块。本节将详细介绍Linux何时以及如何加载这些内部驱动模块。 ##### 1.4.1 `module_init`的定义 要了解模块何时被加载，就需要理解`module_init`的定义。在`/include/linux/init.h`文件中，有如下的声明： ```c #define __define_initcall(level,fn,id) \ static initcall_t __initcall_##fn##id __used \ __attribute__((__section__(.initcall##level##"_"##id))) ``` 这段宏定义了如何声明初始化函数。`initcall_t`是一个函数指针类型，指向一个无参数且返回void类型的函数。`__section__`宏用于控制函数在目标文件中的位置，确保它们能够在内核启动时按照正确的顺序被调用。 通过上述介绍，我们可以了解到Linux模块的基本概念、编写要求以及编译和加载的过程。这些知识对于理解Linux操作系统的工作原理以及开发高效的驱动程序至关重要。