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5星 · 超过95%的资源需积分: 10 106 浏览量 2012-09-04 12:57:23 上传评论 4 收藏 355KB PDF 举报

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Linux 的驱动机制及实现

——by GeYingjun

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 被定义为模块的退出函数。该例

取自 S3C6410 平台的触摸屏驱动。

1.3 模块的编译

模块可以包含在内核之中，也可以在内核之外。包含在内核之中，Linux 启动时会初始

化模块（即调用模块的初始化函数）；在内核之外的模块，可以在内核启动之后，通过外部

命令 insmod 来将模块加载进内核，此时才调用模块初始化函数。两种方法对于模块的功能

没有任何差别，差别主要在模块的初始化时机，以及内核本身的大小。

外部模块的编译通常用如下 makefile：

obj-m := module.o

module-objs := file1.o file2.o

make –C ~/kernel-2.6 M=’pwd’ modules

例子中模块的名字为 module.o，由两个源文件(file1.c file2.c)生成，make 命令行指定了内核

文件所在的位置，即内核源码目录。

以上方法编译的模块，通常用于开发阶段的调试或者 PC 平台的驱动程序。而在外设数

量有限的嵌入式平台上，往往将驱动模块作为 Linux 内核内部模块编译。将内核与驱动生成

的单一镜像向外发布。

内核内部（驱动）模块的编译：

1、通过 make menuconfig 等工具对驱动模块进行配置，可选择为内部模块或者外部模

块。配置工具根据配置选项，将生成一系列 CONFIG_变量，变量的值为 y（内部模

块）或者 m（外部模块），或者 n（不编译）。例如将 S3C 平台的 touchscreen driver

配置为内部模块，将生成 CONFIG_TOUCHSCREEN_S3C 变量，值为 y。

2、对应目录下的 Makefile 将根据这种变量，把对应的.o 文件加入$(obj-y)列表中。

obj-$(CONFIG_TOUCHSCREEN_S3C) += s3c-ts.o

3、在最顶层的 Makefile 中，所有的$(obj-y)内的.o 文件都将被编译，并被链接成内核镜

像。需要注意的是，除了驱动模块，$(obj-y)也会包括其他很多配置的内核自身功能。

因此$(obj-y)并不区分要编译的.o 文件是内核功能还是驱动模块。

内部驱动模块是本文讨论的重点，此后所有的分析均基于内部驱动模块的机制。

1.4 内部驱动模块的加载

上文说明，编译到 Linux 内核内部的驱动模块，将在 Linux 启动时自动加载（调用初始

化函数），本节将详细说明 Linux 何时加载这些驱动模块，以及各模块加载的顺序是如何确

定的。

1.4.1 module_init 的定义

要说明何时被加载，就要从 module_init 的定义说起。在 /include/linux/Init.h 中有如下声

明：

#define __define_initcall(level,fn,id) \

static initcall_t __initcall_##fn##id __used \

__attribute__((__section__(".initcall" level ".init"))) = fn

* Early initcalls run before initializing SMP.

* Only for built-in code, not modules.

#define early_initcall(fn) __define_initcall("early",fn,early)

* A "pure" initcall has no dependencies on anything else, and purely

* initializes variables that couldn't be statically initialized.

* This only exists for built-in code, not for modules.

#define pure_initcall(fn) __define_initcall("0",fn,0)

#define core_initcall(fn) __define_initcall("1",fn,1)

#define core_initcall_sync(fn) __define_initcall("1s",fn,1s)

#define postcore_initcall(fn) __define_initcall("2",fn,2)

#define postcore_initcall_sync(fn) __define_initcall("2s",fn,2s)

#define arch_initcall(fn) __define_initcall("3",fn,3)

#define arch_initcall_sync(fn) __define_initcall("3s",fn,3s)

#define subsys_initcall(fn) __define_initcall("4",fn,4)

#define subsys_initcall_sync(fn) __define_initcall("4s",fn,4s)

#define fs_initcall(fn) __define_initcall("5",fn,5)

#define fs_initcall_sync(fn) __define_initcall("5s",fn,5s)

#define rootfs_initcall(fn) __define_initcall("rootfs",fn,rootfs)

#define device_initcall(fn) __define_initcall("6",fn,6)

#define device_initcall_sync(fn) __define_initcall("6s",fn,6s)

#define late_initcall(fn) __define_initcall("7",fn,7)

#define late_initcall_sync(fn) __define_initcall("7s",fn,7s)

#define __initcall(fn) device_initcall(fn)

#define __exitcall(fn) \

static exitcall_t __exitcall_##fn __exit_call = fn

#define module_init(x) __initcall(x);

#define module_exit(x) __exitcall(x);

这一段声明的前提条件是#ifndef MODULE，也就是说如果驱动没有定义为外部模块的情

况下才有效。从声明中可以看出，module_init(x)最终被定义为__define_initcall("6",x,6)，该宏

定义会将函数名 x 添加入.initcall" level ".init 段，也就是.initcall6.init 段。

在 Linux 的链接脚本 vmlinux.lds 中对上述段有如下布局：

__early_begin = .;

*(.early_param.init)

__early_end = .;

__initcall_start = .;

*(.initcallearly.init) __early_initcall_end = .; *(.initcall0.init) *(.initcall0s.init) *(.initcall1.init) *(.initcall1s.init)

*(.initcall2.init) *(.initcall2s.init) *(.initcall3.init) *(.initcall3s.init) *(.initcall4.init) *(.initcall4s.init) *(.initcall5.init)

*(.initcall5s.init) *(.initcallrootfs.init) *(.initcall6.init) *(.initcall6s.init) *(.initcall7.init) *(.initcall7s.init)

__initcall_end = .;

可见，所有 module_init()定义的函数名，都被放入了__initcall_start 与__initcall_end 之间

的表中，level 越低，排在越靠前的位置。

1.4.2 Linux 初始化模块的过程

Linux 的初始化函数为 start_kernel()，函数内最后一个步骤调用 rest_init。内部模块就是

在这个函数执行时被初始化的。调用路径为：

rest_init()---------------------->kernel_thread(kernel_init,…)----------------------------->

do_basic_setup()----------------------->do_initcalls()

static void __init do_initcalls(void)

{

initcall_t *call;

for (call = __early_initcall_end; call < __initcall_end; call++)

do_one_initcall(*call);

/* Make sure there is no pending stuff from the initcall sequence */

flush_scheduled_work();

}

函数 do_initcalls()查找位于__early_initcall 和__initcall_end 之间的表内所有的函数，并用

do_one_initcall()来执行该函数。因此包括驱动在内的所有内部模块都会在这一步被加载，由

于驱动使用 module_init(x)来定义，level 为 6，因此会有其他模块先于驱动模块被加载。而

所有的驱动模块之间的先后顺序则是由 Makefile 将.o 加入$(obj-y)的顺序决定的。因此在多

层次驱动模块加载的场合下，需要通过不同层次的 Makefile 来安排先后顺序。

2 Linux 系统中的设备与驱动

2.1 设备与驱动的关系

Linux 系统为了能操作和管理各种外设，将外设抽象成了设备(device)，而将对外设进行

的各种操作逻辑包装进了驱动(driver)模型。

在 Linux 的设备模型中，所有的设备都被连接在某个总线(bus)上。总线的概念显然是从

X86 架构上继承而来的，X86 架构的 CPU 通过南桥芯片扩展出各种总线，外设必须插在某个

总线上才能与 CPU 相连接。然而在基于 ARM 的嵌入式 CPU 上，通常把很多外设控制器都集

成在 CPU 内，而且通常也不具备 PCI 等复杂总线控制器。为了使得嵌入式平台能够在形式上

与 X86 相似，普遍采用一种成为“platform”的总线来表示集成到 CPU 平台内的设备。

设备与驱动，这两个概念对 CPU 操作外设都至关重要，但是设备本身在 Linux 内仅是划

分出了操作该外设时所必须要保留的一些资源（如内存映射区域、IRQ 号等），同时指定了

设备的名字。几乎所有的对外设操作的逻辑都在驱动模型内，而驱动与设备的关联则是通过

二者所具有相同的名字实现的。

以下仍然以触摸屏设备和驱动说明二者关系：

S3C6410 平台触摸屏设备的定义：

/arch/arm/plat-s3c/Dev-ts.c 中

struct platform_device s3c_device_ts = {

.name = "s3c-ts",

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内容反馈

yirandexin

2016-09-06

实战性描述，很经典
Jack_SK

2018-09-04

谢谢楼主,很不错噢!
yaoliwon

2013-04-26

很好，很强大，正是我一直想要的东西，感谢楼主无私奉献！
winter115

2013-05-22

很清晰。不错的内容值得下载！
baihuahua

2013-01-08

免费的资料还是很值得下的多谢

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