嵌入式Linux设备驱动开发笔记

驱动程序就是操作系统中用于控制和访问各种输入/输出设备的程序，驱动程序的重要性勿需多言。 而且，在实际的嵌入式系统开发中，操作系统的内核一般不需要做太多的修改，大量的工作往往是针对独 特的硬件平台编写、修改和调试各个外设的驱动程序，因此掌握驱动程序的设计对于嵌入式Linux系统开 发特别重要。 1. 设备驱动概述 在Linux中，几乎所有的内容都是文件，对设备驱动的访问也是以文件操作的方法实现的。无论是字 符设备还是块设备，用户对设备的操作都是通过虚拟文件系统转换为设备驱动与硬件操作例程的交互；即 使是访问网络的 Socket 接口，也是通过虚拟文件系统(VFS)实现的。Linux 通过虚拟文件系统为用户提供 了一个统一的设备访问接口，使用户能够透明地访问设备驱动程序。设备驱动程序是Linux内核的重要组 成部分。它向操作系统的其他部分屏蔽了设备硬件的复杂性，实现了硬件设备的透明管理。 1.1 设备类型分类 根据物理设备的特点和工作方式，以及驱动程序向内核注册的调用接口的不同，Linux 系统的设备驱 动程序分为字符设备(Char Device)、块设备(Block Device)和网络设备(Network Device)三种。 (1) 字符设备 字符设备是一类像键盘那样以字符（字节）为单位，逐个进行输入/输出的设备，如键盘、打印机等。 字符设备接口支持面向字符的I/O操作，不经系统的快速缓存，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。 在系统内部，I/O 操作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： 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碌状态。 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。 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。 ④ write入口点：向设备写数据。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。 ⑤ ioctl入口点：执行读、写之外的操作。 (2) 块设备 块设备是一类像磁盘那样以记录块或者“扇区”为单位，成块进行输入/输出的设备，如磁盘、USB 接 口等。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。 (3) 网络设备 网卡、Modem 是最常见的网络设备。网络设备与字符设备和块设备最大的不同之处就在与网络设备没 有对应的设备文件。网卡是最典型的一个例子，网卡把向外发送的数据写入通往远程计算机系统的一条通 信线路上，把从远程系统中接受到的报文装入内核内存。在Linux 系统中，计算机为每一个网卡分配一个 不同的符号名，例如：eth0,eth1 等。然而，这个名字并没有对应的设备文件，也没有对应的索引节点。 由于没有使用文件系统，所以系统管理员必须建立设备名和网络地址之间的联系。因此，应用程序和网络 接口之间的数据通信不是基于标准的有关文件的read()、 write()等系统调用， 而是基于BSD socket机制， 使用 socket()、bind()、listen()、accept()、connect()等系统调用对网络地址进行操作。在系统和驱嵌入式Linux设备驱动开发 赖永诚 hqulyc@126.com 第2页 共55页 动程序之间定义有专门的数据结构（sk_buff）进行数据传递。