ARM9嵌入式Linux开发-Linux设备管理和驱动开发基础
设备驱动概述
Linux设备分类
Linux系统的设备分为三类：字符设备、块设备和网络设备：
（1）字符设备通常指像普通文件或字节流一样，以字节为单位输入输出数据的设备，如并口设备、虚拟控制台等。字符设备可以通过设备文件节点访问，它与普通文件之间的区别在于普通文件可以被随机访问（可以前后移动访问指针），而大多数字符设备只能提供顺序访问，因为对它们的访问不会被系统所缓存。但也有例外，例如帧缓存(FrameBuffer)是一个可以被随机访问的字符设备。
（2）块设备通常指一些需要以块为单位随机读写的设备，如IDE硬盘、SCSI硬盘、光驱等。块设备也是通过文件节点来访问，它不仅可以提供随机访问，而且可以容纳文件系统（例如硬盘、闪存等）。Linux可以使用户态程序像访问字符设备一样每次进行任意字节的操作，只是在内核态内部中的管理方式和内核提供的驱动接口不同。
（3）网络设备通常是指通过网络能够与其他主机进行数据通信的设备，如网卡等。内核和网络设备驱动程序之间的通信调用一套数据包处理函数，它们完全不同于内核和字符以及块设备驱动程序之间的通信（read(), write()等函数）。Linux网络设备不是面向流的设备，因此不会将网络设备的名字（例如eth0）映射到文件系统中去。
Linux的内核组成
设备驱动简介及驱动模块
操作系统是通过各种驱动程序来驾驭硬件设备的，它为用户屏蔽了底层设备，驱动硬件是操作系统最基本的功能，并且提供统一的操作方式。设备驱动程序是内核的一部分，硬件驱动程序是操作系统最基本的组成部分，在Linux内核源程序中也占有60%以上。因此，熟悉驱动的编写是很重要的。
Linux内核中采用可加载的模块化设计（LKMs，Loadable Kernel Modules），一般情况下编译的Linux内核是支持可插入式模块的，也就是将最基本的核心代码编译在内核中，其他的代码可以编译到内核中，或者编译为内核的模块文件（在需要时动态加载）。
内核模块的主要相关命令
常见的驱动程序是作为内核模块动态加载的，比如声卡驱动和网卡驱动等，而Linux最基础的驱动，如CPU、PCI总线、TCP/IP协议、APM（高级电源管理）、VFS等驱动程序则直接编译在内核文件中。有时也把内核模块叫做驱动程序，只不过驱动的内容不一定是硬件罢了，比如ext3文件系统的驱动。因此，加载驱动就是加载内核模块。
lsmod命令可以列出当前系统中加载的模块，其中左边第一列是模块名，第二列是该模块大小，第三列则是使用该模块的对象数目。
rmmod命令是用于将当前模块卸载。
insmod和modprobe命令是用于加载当前模块，但insmod不会自动解决依存关系，即如果要加载的模块引用了当前内核符号表中不存在的符号，则无法加载，也不会去查在其他尚未加载的模块中是否定义了该符号；modprobe可以根据模块间依存关系以及/etc/modules.conf文件中的内容自动加载其他有依赖关系的模块。
设备号
设备号是一个数字，它是设备的标志。一个设备文件（也就是设备节点）可以通过mknod命令来创建，其中指定了主设备号和次设备号。主设备号表明设备的类型（例如串口设备、SCSI硬盘），与一个确定的驱动程序对应；次设备号通常用于标明同类型设备中的不同设备，它标志着某个具体的物理设备。32位设备号中的高12位为主设备号，低20位为次设备号。
例如，在系统中的块设备IDE硬盘的主设备号是3，而多个IDE硬盘及其各个分区分别赋予次设备号1、2、3……
驱动层次结构
设备驱动程序的特点
- （内核代码：设备驱动程序是内核的一部分，如果驱动程序出错，则可能导致系统崩溃。
- （内核接口：设备驱动程序必须为内核或者其子系统提供一个标准接口。比如，一个终端驱动程序必须为内核提供一个文件I/O接口；一个SCSI设备驱动程序应该为SCSI子系统提供一个SCSI设备接口，同时SCSI子系统也必须为内核提供文件的I/O接口及缓冲区。
- 内核机制和服务：设备驱动程序使用一些标准的内核服务，如内存分配等。
- 可装载：大多数的Linux操作系统设备驱动程序都可以在需要时装载进内核，在不需要时从内核中卸载。
- 可设置：Linux操作系统设备驱动程序可以集成为内核的一部分，并可以根据需要把其中的某一部分集成到内核中，这只需要在系统编译时进行相应的设置即可。
- 动态性：在系统启动且各个设备驱动程序初始化后，驱动程序将维护其控制的设备。如果该设备驱动程序控制的设备不存在也不影响系统的运行，那么此时的设备驱动程序只是多占用了一点系统内存罢了。
字符设备驱动编程
设备驱动程序工作原理
模块在调用insmod命令时被加载，此时的入口点是init_module()函数，通常在该函数中完成设备的注册。同样，模块在调用rmmod命令时被卸载，此时的入口点是cleanup_module()函数，在该函数中完成设备的卸载。在设备完成注册加载之后，用户的应用程序就可以对该设备进行一定的操作，如open()、read()、write()等，而驱动程序就是用于实现这些操作，在用户应用程序调用相应入口函数时执行相关的操作。
#include
#include
static int __init hello_init()
{
printk(KERN_WARNING “(init)Hello World!\n”);
return 0;
}
static void __exit hello_exit()
{
printk(KERN_INFO“(exit)Hello World!\n”);
}
module_init(hello_init);//设置模块初始化函数
module_exit(hello_exit);//设置模块退出时清除函数
重要数据结构（file_operaions结构）
用户应用程序调用设备的一些功能是在设备驱动程序中定义的，也就是设备驱动程序的入口点，它是一个在
struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
…
int (*check_flags)(int);
int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
};
llseek：改变文件中的当前读/写位置，并且新位置作为(正的)返回值。
read：用来从设备中获取数据。
write：发送数据给设备。
readdir：对于设备文件这个成员应当为 NULL；它用来读取目录, 并且仅对文件系统有用。
poll：返回设备资源的可获取状态。
ioctl：提供了发出设备特定命令的方法。
mmap：用来请求将设备内存映射到进程的地址空间。
open：打开设备。
flush：在进程关闭设备文件描述符的拷贝时调用
release：释放设备。
sync：刷新待处理的数据,允许进程把所有的脏缓冲区刷新到磁盘。
fasync：异步通知。
lock：用来实现文件加锁
文件系统处理文件所需要的信息在inode（索引节点）数据结构体中。inode中保存了“页”结构，用于进行设备缓冲，当进行读写操作时，系统首先检查是否有inode存在，然后检查是否已经获得其缓冲内容。若没有，则请求；若已经存在，则把被写的“页”作上标记。
inode结构提供了设备文件/dev/driver(这里假设设备名为driver)的信息。
file结构主要与文件系统对应的设备驱动程序使用，其他设备驱动程序也可以使用。
设备号相关函数
在linux2.6的版本中，用dev_t类型来描述设备号（dev_t是32位数值类型，其中高12位表示主设备号，低20位表示次设备号）。用两个宏MAJOR和MINOR分别获得dev_t设备号的主设备号和次设备号，而且用MKDEV宏来实现逆过程，即组合主设备号和次设备号而获得dev_t类型设备号。 分配设备号有静态和动态的两种方法：
- 静态分配(register_chrdev_region()函数)是指在事先知道设备主设备号的情况下，通过参数函数指定第一个设备号（它的次设备号通常为0）而向系统申请分配一定数目的设备号。
- 动态分配（alloc_chrdev_region()）是指通过参数仅设置第一个次设备号（通常为0，事先不会知道主设备号）和要分配的设备数目而系统动态分配所需的设备号。
通过unregister_chrdev_region()函数释放已分配的（无论是静态的还是动态的）设备号。
字符设备注册
早期版本的设备注册使用函数register_chrdev()，调用该函数后就可以
向系统申请主设备号，如果register_chrdev()操作成功，设备名就会出现在/proc/devices文件里。在关闭设备时，通常需要解除原先的设备注册，此时可使用函数unregister_chrdev()，此后该设备就会从/proc/devices里消失。其中主设备号和次设备号不能大于255。
在Linux 2.6内核中使用struct cdev结构来描述字符设备，我们在驱动程序中必须将已分配到的设备号以及设备操作接口（即为struct file_operations结构）赋予struct cdev结构变量。
字符设备的注册可分为如下3个步骤：
- 使用cdev_alloc()函数向系统申请分配struct cdev结构；
- 使用cdev_init()函数初始化已分配到的结构，并与file_operations结构关联起来；
- 最后使用cdev_add()函数将设备号与struct cdev结构进行关联并向内核正式报告新设备的注册，这样新设备就可以被使用了。
要从系统中删除一个设备，则要调用cdev_del()函数。
内核空间和用户空间的数据交换
内核空间地址和用户空间地址是有很大区别的，其中一个区别是用户空间的内存是可以被换出的，因此可能会出现页面失效等情况。所以不能使用诸如memcpy()之类的函数来完成这样的操作。在这里要使用copy_to_user()或copy_from_user()等函数，它们是用来实现用户空间和内核空间的数据交换的。
打印信息
在内核空间要用函数printk()而不能用平常的函数printf()。 printk()还可以定义打印消息的优先级。内核中共提供了八种不同的日志级别，在 linux/kernel.h 中有相应的宏对应。
#define KERN_EMERG "<0>" /* system is unusable */
#define KERN_ALERT "<1>" /* action must be taken immediately */
#define KERN_CRIT "<2>" /* critical conditions */
#define KERN_ERR "<3>" /* error conditions */
#define KERN_WARNING "<4>" /* warning conditions */
#define KERN_NOTICE "<5>" /* normal but significant */
#define KERN_INFO "<6>" /* informational */
#define KERN_DEBUG "<7>" /* debug-level messages */
所以 printk() 可以这样用：printk(KERN_INFO "Hello, world!\n");。
创建设备文件
创建设备文件有2种方法：
- 使用mknod命令手工创建
- 自动创建 手工创建：
mknod用法：
mknod filename type major minor
参数：
- filename：设备文件名
- type：设备文件类型
- major：主设备号
- minor：次设备号
例： # mknod serial0 c 100 0
从Linux 2.6.13开始，利用udev（mdev）来实现设备文件的自动创建，在驱动初始化的代码里调用class_create为该设备创建一个class，再为每个设备调用device_create创建对应的设备。相关定义在device.h中。 例：
struct class *myclass = class_create(THIS_MODULE, “myclass”);
device_create(myclass, NULL, MKDEV(major_num, 0), “my_device”);
当驱动被加载时，udev（mdev）就会自动在/dev下创建my_device设备文件。
当驱动被卸载时，使用下面的函数。
device_destroy(myclass, MKDEV(major, 0));
class_destroy(myclass);
proc文件系统
/proc文件系统是一个伪文件系统，它是一种内核和内核模块用来向进程发送信息的机制。这个伪文件系统让用户可以和内核内部数据结构进行交互，获取有关系统和进程的有用信息，在运行时通过改变内核参数来改变设置。与其他文件系统不同，/proc存在于内存之中而不是在硬盘上。可以通过“ls”查看/proc文件系统的内容。