linux设备驱动

总结 Linux内核的内存管理. 进程管理. 文件管理. 设备管理. 中断等内容

Linux设备驱动

一. 简介

    操作系统是通过各种驱动程序来驾驭硬件设备，它为用户屏蔽了各种各样的设备，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。正如我们查看屏幕上的文档时,不用去管到底使用nVIDIA芯片，还是ATI芯片的显示卡，只需知道输入命令后，需要的文字就显示在屏幕上。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较高的比例。

二. 基本原理

    设备由两部分组成，一个是被称为控制器的电器部分，另一个是机械部分。控制器通过系统总线加载到 电脑上。典型的方式是，一组互不冲突的寄存器组被赋予到各个控制器。I/O端口包含4组寄存器，即状态寄存器，控制寄存器，数据输入寄存器，数据输出寄存器。状态寄存器拥有可以被主机读取的(状态)位，用来 指示当前命令是否执行完毕，或者字节是否可以被读出或写入，以及任何错误提示。控制寄存器则被主机写 操作以启动一条命令或者改变设备的(工作)模式。数据输入寄存器用于获取输入而数据输出寄存器则向主机 发送结果。所以，处理器和设备之间的基本界面是控制和状态寄存器。当处理器执行程序并且遇到与设备相关的指令 时，它通过向相应的设备发送一条命令来执行该指令。控制器执行所要求的动作并设置状态寄存器的特定位， 然后进入等待。处理器有责任检查设备的状态直到发现操作完成。例如并口驱动程序(打印机使用的)一般会 轮询打印机以知道打印机是否准备好。如果打印机没有准备好，驱动程序会睡眠一段时间(处理器此时会做其 他有用的工作)，该过程将重复直到打印机准备好。这种轮询的机制能够改进系统的性能。另外一种方式则是 系统进行不必要的"死等"(unnecessarily waiting)而不做任何有用的工作。
    寄存器拥有在I/O空间明确定义的地址范围。通常这些地址在启动时被分配，使用一组在配置文件中定义 的参数。如果设备是静态加载的,各个设备的地址范围可能被预分配。这意味内核包含了已存在设备的驱动 程序，已分配的I/O端口能被存放在Proc目录下。你可以在系统使用这些设备时，通过运行“cat /proc/ioports” 命令同步的检查其所使用的地址范围。第一列输出显示了端口的范围而第二列则是拥用这些端口的设备。一些操作系统具备在运行时动态加载设备驱动模块的特性。所以任何新的设备都能通过动态加载模块在系统运行 时加载到系统中，并且能够被控制和访问。
    设备驱动的概念是非常抽象的并且处于一台计算上所运行软件的最低层。由于直接到设备的硬件特性的限 制。每个设备驱动都只管理一种单一类型的设备。这些类型可能是字符型，快设备型或网络型。如果一个应用 程序向设备提出（操作）要求。内核会联系到对应的设备驱动，设备驱动接着向特定的设备发出命令。设备驱 动是一个函数集合：包含了许多调用入口，类似于open，close，read，write，ioctl，llseek 等。当你插入 你的模块时，init_module ( ) 函数会被调用，而模块被移出时，cleanup_module ( ) 函数会被调用。设备是在 设备驱动的init_module ( ) 例程中被登记的。
    当设备在 init_module ( ) 中登记时，设备的资源如I/O端口，内存和中断号也在这个函数被分配，这也 是驱动程序能够正确操作设备的需要。如果你分配了任何错误的内存地址，系统会显示错误信息segmentation fault。 而对于I/O端口，系统不会给出任何类似wrong I/O port的信息，但是指派任何现有设备已使用的端 口将会造成系统崩溃。当你移出模块时，设备应当被注销，更确切的说，主（设备）号和资源将在cleanup_module ( ) 函数中被释放.
    设备驱动最频繁的工作时读写IO端口。所以你的驱动应当是确信完美的，被设备使用的端口地址是独占的。 任何其他设备都不会使用这段地址范围。为了确认这点，首先驱动应当查明这段地址是否在使用，当驱动发现 这段地址未被使用时，可以申请内核为设备分配这段地址。

三. 内核与驱动模块

    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，其它的代码可以选择是在内核中，或者编译为内核的模块文件。
    我们常见的驱动程序就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等驱动程序则编译在内核文件中。有时也把内核模块就叫做驱动程序，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，加载驱动时就是加载内核模块。

    有关模块的命令有:lsmod、modprob、insmod、rmmod、modinfo

    lsmod 列出当前系统中加载的模块
    rmmod卸载已加载的模块
    insmod,插入模块，但是它不会自动解决依存关系，所以一般加载内核模块时使用的命令为modprobe。

    modprobe，智能插入模块，即根据模块间依存关系，以及/etc/modules.conf文件中的内容智能插入模块

    modinfo,查看模块信息

    系统的模块文件保存在/lib/modules/2.4.XXX/kerne目录中，根据分类分别在fs、net等子目录中，他们的互相依存关系则保存在/lib/modules/2.4.XXX/modules.dep 文件中

四. 设备文件

    当加载了设备驱动模块后，应该怎样访问这些设备呢？Linux是一种类Unix系统，Unix的一个基本特点是“一切皆为文件”，它抽象了设备的处理，将所有的硬件设备都像普通文件一样看待，也就是说硬件可以跟普通文件一样来打开、关闭和读写。

    系统中的设备都用一个设备特殊文件代表，叫做设备文件，设备文件又分为Block（块）型设备文件、Character（字符）型设备文件和Socket （网络插件）型设备文件。Block设备文件常常指定哪些需要以块（如512字节）的方式写入的设备，比如IDE硬盘、SCSI硬盘、光驱等。 而Character型设备文件常指定直接读写，没有缓冲区的设备，比如并口、虚拟控制台等。Socket（网络插件）型设备文件指定的是网络设备访问的BSD socket 接口。
    设备文件都放在/dev目录下

五. 使用/proc目录中的文件监视驱动程序的状态

    通过设备文件怎样访问到相应的驱动程序呢？它们中间有一个桥梁，那就是proc文件系统，它一般会被加载到/proc目录。访问设备文件时，操作系统通常会通过查找/proc目录下的值，确定由哪些驱动模块来完成任务。如果proc文件系统没有加载，访问设备文件时就会出现错误。
    Linux系统中proc文件系统是内核虚拟的文件系统，其中所有的文件都是内核中虚拟出来的，各种文件实际上是当前内核在内存中的参数。它就像是专门为访问内核而打开的一扇门，比如访问/proc/cpuinfo文件，实际上就是访问目前的CPU的参数，每一次系统启动时系统都会通过 /etc/fstab中设置的信息自动将proc文件系统加载到/proc目录下.
    通过/proc目录下的文件可以访问或更改内核参数，可以通过/proc目录查询驱动程序的信息。
    /proc/sys目录下的文件一般可以直接更改，相当于直接更改内核的运行参数，
    free等命令一般都是查询/proc目录下的文件，并返回结果。

参考:
    http://www.linuxfocus.org/ChineseGB/November2002/article264.shtml