Linux模块编程的另类玩法——硬件协议探究

通常情况下，内核程序主要是为应用程序提供机制的。对于驱动程序来说，就是要尽可能充分的，将硬件的各种特性都展现出来。同时还要保证稳定、可靠，也就是说要细致的实现各种锁定，并发控制，访问权限控制等等，否则的话，对于整个计算机系统来说，操作系统层的存在与否大概也就是完全失去意义了。但是，如果很粗糙的使用操作系统提供的各种设施，则也是很有得可玩的。

编写驱动，就是要展现硬件的各种特性啊。可是，刚开始的时候，对硬件的协议都还不了解呢，要如何来研究复杂的硬件协议呢，实验究竟要如何操作呢，到底要怎么样进行下去呢，这实在是一个很重要额问题？其实，如果很粗糙的使用内核提供的各种设施，同时添加各种各样的策略性代码，也就基本上屏蔽了操作系统设计与实现的各种复杂性了，但是又使我们可以很方便的直接操作硬件。

操作硬件，在模块代码中还是需要使用各种各样的资源的。尽管我们要很粗糙的使用内核设施，但是各种资源的申请和释放还是要注意的。模块编程所需要的最基本的另个函数，一个是模块加载时要执行的模块初始化函数，另外一个是模块退出时要执行的函数，如果硬件协议简单的话，甚至可以仅仅实现这两个函数，然后在这两个函数来添加各种各样的策略。

I/O内存区域

操作硬件需要使用硬件寄存器，获得对硬件寄存器资源的独占访问权限，还是一个好习惯。对于I/O内存来说，可以使用在文件中定义的request_mem_region()函数：

struct resource * request_mem_region(resource_size_t start,

resource_size_t n,const char *name);

这个函数将在成功完成时返回非NULL，否则返回NULL。参数的语义都相当明确啊，第一个是I/O内存的起始地址，第二个是I/O内存区域的长度。而第三个则是用来标识占有这块I/O内存区域的所有者的字符串，在/proc/iomem文件中可以看到这个字符串和这块I/O内存区域相对应。

相应的可以使用下面的函数来释放I/O内存：

void release_mem_region(resource_size_t start, resource_size_t n);

在获得了对于I/O内存区域的独占访问权限，还要将I/O内存区域映射到内核的虚拟地址空间，相应的将I/O内存区域映射到虚拟地址空间和解除这种映射的函数为：

#include

void __iomem *ioremap(unsigned long phys_addr, size_t size);

void __iomem *ioremap_nocache(unsigned long phys_addr, size_t size);

void iounmap(volatile void __iomem *io_addr);

对于I/O内存区域的访问，内核也是提供了一组专门的函数的（在中定义）。从I/O内存中读取：

unsigned int ioread8(void *addr);

unsigned int ioread16(void *addr);

unsigned int ioread32(void *addr);

其实现类似于这样：

#define ioread8(p)   ({ unsigned int __v = __raw_readb(p); __v; })

addr应该是从ioremap获得的地址（可能包含一个整数的偏移量）；返回值则是从给定I/O内存中读取到的值。

写入I/O内存：

void iowrite8(u8 value, void *addr);

void iowrite16(u16 value, void *addr);

void iowrite32(u32 value, void *addr);

上述函数的重复版本：

void ioread8_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);

void ioread16_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);

void ioread32_rep(void *addr, void *buf, unsigned long count);

void iowrite8_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);

void iowrite16_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);

void iowrite32_rep(void *addr, const void *buf, unsigned long count);

上述函数从给定的buf向给定的addr读取或写入count个值。count以被写入的数的大小为单位。——均在给定的addr处执行所有的I/O操作。

如果要在一块I/O内存上执行操作，则可以使用：

void memset_io(void *addr, u8 value, unsigned int count);

void memcpy_fromio(void *dest, void *source, unsigned int count);

void memcpy_toio(void *dest, void *source, unsigned int count);

void *和char *似乎是等价的（在ARM平台上），步长为1。

一组老的I/O内存函数（宏），不执行类型检查，因此其安全性较差：

unsigned readb(address);

unsigned readw(address);

unsigned readl(address);

void writeb(unsigned value, address);

void writew(unsigned value, address);

void writel(unsigned value, address); 

中断

除了I/O内存区域之外，中断线通常也是不得不使用的重要资源。内核维护了一个中断信号线的注册表，该注册表类似于I/O端口的注册表。模块在使用中断前要先请求一个中断通道（或者中断请求IRQ），然后在使用后释放该通道。

下列在头文件中声明的函数实现了该接口：

int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, 

unsigned long flags, const char *name, void *dev_id);

void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);

从内核的2.6.19版开始，中断服务例程接口，也就是irq_handler_t类型，有了一些变化。过去，中断处理接口的第三个参数是一个指向CPU寄存器的指针（struct pt_regs *），但是现在irq_handler_t类型的定义为：

typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);

已经移除了第三个参数。而且IRQF_xxx族中断标志取代了SA_xxx族。

request_irq返回0表示申请成功，为负值时表示错误码。

irq，请求的中断号

flags是一个与中断管理相关的位掩码。

IRQF_DISABLED - keep irqs disabled when calling the action handler

IRQF_SAMPLE_RANDOM - irq is used to feed the random generator

IRQF_SHARED – 允许在多个设备间共享中断号。

IRQF_PROBE_SHARED - set by callers when they expect sharing mismatches to occur

IRQF_TIMER – 标记这个中断为时钟中断。

IRQF_PERCPU – 中断为per cpu

IRQF_NOBALANCING - Flag to exclude this interrupt from irq balancing

IRQF_IRQPOLL - Interrupt is used for polling (only the interrupt that is

registered first in an shared interrupt is considered for performance reasons)

IRQF_ONESHOT - Interrupt is not reenabled after the hardirq handler finished. Used by threaded interrupts which need to keep the irq line disabled until the threaded handler has been run.

name，传递给request_irq的字符串，用来在/proc/interrupts中显示中断的拥有者。

dev_id，这个指针用于共享的中断信号线。它是唯一的标示符，在中断信号线空闲时可以使用它，驱动程序也可以使用它指向驱动程序自己的私有数据区（用来识别哪个设备产生中断）。

关于中断函数的返回值，在linux/irqreturn.h文件中定义，可选的值为如下几个：

* @IRQ_NONE      interrupt was not from this device

 * @IRQ_HANDLED      interrupt was handled by this device

 * @IRQ_WAKE_THREAD  handler requests to wake the handler thread

OK，如此一来，则在适当的地方，加入一些printk语句，配合着使用一些简单的如内存分配之类的内核设施，则可以很方便的进行硬件协议的研究了。