驱动程序基本概念

§1. Linux驱动程序接口
系统调用是操作系统内核与应用程序之间的接口，设备驱动程序则是操作系统内核与机器硬件的接口。几乎所有的系统操作最终映射到物理设备，除了CPU、内存和少数其它设备，所有的设备控制操作都由该设备特殊的可执行代码实现，此代码就是设备驱动程序。操作系统内核需要访问两类主要设备:字符设备和块设备。与此相关主要有两类设备驱动程序，字符设备驱动程序和块设备驱动程序。Linux（也是所有UNIX）的基本原理之一是：系统试图使它对所有各类设备的输入、输出看起来就好象对普通文件的输入、输出一样。设备驱动程序本身具有文件的外部特征，它们都能使用象
open（），close（），read（），write（）等系统调用。为使设备的存取能象文件一样处理，所有设备在目录中应有对应的文件名称，才可使用有关系统调用。
通常Linux驱动程序接口分为如下四层：
1).应用程序进程与内核的接口；
2).内核与文件系统的接口；
3).文件系统与设备驱动程序的接口；
4).设备驱动程序与硬件设备的接口。
§2. 驱动程序文件操作数据结构
每个驱动程序都有一个file-operation的数据结构，包含指向驱动程序内部函数的指针。file-operation的数据结构为：
struct file-operation {
int （*lseek）（）；
int （*read）（）；
int （*write）（）；
int （*readdir）（）；
int （*select）（）；
int （*ioctl）（）；
int （*mmap）（）；
int （*open）（）；
int （*close）（）；
int （*release）（）；
int （*fsync）（）；
int （*fasync）（）；
int （*check-media-change）（）；
int （*revalidate）（）；
}
内核中有两个表，一个用于字符设备驱动程序，一个用于块设备驱动程序。这两个表用于保存指向file-operation数据结构的指针，驱动程序内部函数的地址保存在这一结构。内核用主设备号作为索引访问file-operation结构，可以访问驱动程序子程序地址。SBS617设备采用了PCI总线字符设备的驱动程序实现方式。完成了设备驱动程序,经GNU软件编译，链接，产生一可加载模块，可以用于动态装入Linux操作系统内核，也可以在需要时从内核中卸除。
§3. file_operations介绍
在结构file_operations里，指出了设备驱动程序所提供的入口点位置，分别是：
(1) lseek，移动文件指针的位置，显然只能用于可以随机存取的设备。
(2) read，进行读操作，参数buf为存放读取结果的缓冲区，count为所要读取的数据长度。返回值为负表示读取操作发生错误，否则返回实际读取的字节数。对于字符型，要求读取的字节数和返回的实际读取字节数都必须是inode->i_blksize的的倍数。
(3) write，进行写操作，与read类似。
(4) readdir，取得下一个目录入口点，只有与文件系统相关的设备驱动程序才使用。
(5) selec，进行选择操作，如果驱动程序没有提供select入口，select操作将会认为设备已经准备好进行任何的I/O操作。
(6) ioctl，驱动程序特殊控制入口点,进行读、写以外的其它操作，参数cmd为自定义的命令。 这是很有意思的部分,之后我会详尽介绍;
(7) mmap，用于把设备的内容映射到地址空间，一般只有块设备驱动程序使用。
(8) open，打开设备准备进行I/O操作。返回0表示打开成功，返回负数表
示失败。如果驱动程序没有提供open入口，则只要/dev/driver文件存
在就认为打开成功。
(9) release，即close操作。
设备驱动程序所提供的入口点，在设备驱动程序初始化的时候向系统进行登记，以便系统在适当的时候调用。
§4 PCI字符设备驱动程序
要设计PCI设备驱动程序，必须进一步结合硬件设备和PCI总线的特性。设计PCI设备驱动程序的重要任务是找寻相应的硬件并实现对它的访问。作为外围设备的硬件必须响应三种地址空间的访问，即内存，IO，寄存器地址空间。前两种地址空间可以为PCI总线上的所有设备共享。寄存器空间占用物理地址,可以通过特殊的函数来访问配置寄存器。一旦可以访问配置寄存器，设备驱动程序就可以访问硬件了。每个设备的PCI配置寄存器均由256Bytes构成，其中 64Bytes是标准化的,4Bytes标识了一个唯一的函数ID，通过这个ID驱动程序就可以定位该设备。
存取系统中的字符设备和存取系统文件一样。应用程序使用标准的系统调用来打开、读写和关闭设备，就像使用一个文件-样。当字符设备初始化时，通过向 chrdevs数组中添加一个入口，设备驱动程序在系统内核中注册。 chrdevs数组由device_struct数据结构组成。设备的主设备号用来作为此chrdevs的索引，因为一个设备的主设备号是固定的。
LINUX系统里，通过调用register_chrdev向系统注册字符型设备驱动程序。register_chrdev定义为：
#include linux/fs.h
#include linux/errno.h
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
struct file_operations *fops);
其中，major是为设备驱动程序向系统申请的主设备号，如果为0则系统为此驱动程序动态地分配一个主设备号。name是设备名。fops就是前面所说的对各个调用的入口点的说明。此函数返回0表示成功。返回-EINVAL表示申请的主设备号非法，一般来说是主设备号大于系统所允许的最大设备号。返回- EBUSY表示所申请的主设备号正在被其它设备驱动程序使用。如果是动态分配主设备号成功，此函数将返回所分配的主设备号。
§5 PCI设备启动与检测
PC 主板BIOS在系统启动时,可以自动检测PCI设备并配置设备的每一地址区。当驱动程序访问设备时，它的内存、I/O地址空间已经映射到进程的地址空间了。在驱动程序init_module()中，通过调用函数pcibios_find_device()函数返回设备在总线上的位置及函数指针，其中的包含文件及函数原型为：
#include Linux/pci.h
#include Linux/config.h
#include Linux/bios32.h
int pcibios_find_device(unsigned short vendor,
unsigned short id, unsigned short index,
unsigned char *bus, unsigned short *function)
§6 地址空间访问
在设备驱动程序检测到设备之后,通常要从三个地址空间读写数据，其中寄存器空间的读写尤为重要,因为只有通过它驱动程序才可能找到设备内存和I/O空间的映射地址。设备驱动程序通过调用以下函数实现寄存器空间的访问，其中的包含文件及函数原型为：
#include Linux/bios32.h
int pcibios_read_config_byte（ unsigned char bus，
unsigned char function，
unsigned char where，
unsigned char b*ptr）
int pcibios_write_config_byte（unsigned char bus，
unsigned char function，
unsigned char where，
unsigned char b*ptr）
类似的还有:
pcibios_read_config_word (), pcibios_write_config_word () ,
pcibios_read_config_dword () ,pcibios_write_config_dword() 调用。
PCI 设备最多有6个地址区,类型可以为内存区或I/O区。接口板可以通过配置寄存器的PCI_BASE_ADDRESS_0 到PCI_BASE_ADDRESS_5来报告各地址区的实际地址位置。内存、IO空间的访问通过inb（），memcpy（）等调用。当然可以通过 pcibios_read_config_byte()，pcibios_write_config_byte() 来访问配置寄存器的相应基地址值。
§7 中断处理
对中断的处理是属于系统核心的部分, PC主板BIOS为多数设备分配了一个唯一的中断号,在配置寄存器中保存, 设备驱动程序通过pcibios_read_config_byte() 函数读取相应的值,格式为:
xxx_irq=pcibios_read_config_byte(pci_bus,pci_device_fn,
PCI_INTERRUPT_LINE,
&pci_cofig->int_line)
操作系统中有中断寄存器,将特定的中断请求与中断处理函数联系在一起,当中断发生时调用相应的中断处理函数处理。Linux操作系统下可用request_irq(),free_irq( )实现中断的请求,释放,其中包含文件及形式为:
#include Linux/sched.h
int request_irq(unsigned int irq,
void (*handler)(int irq,void dev_id,struct pt_regs *regs),
unsigned long flags,
const char *device,
void *dev_id);
void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);
参数irq表示所要申请的硬件中断号。handler为向系统登记的中断处理子程序，中断产生时由系统来调用，调用时所带参数irq为中断号， dev_id为申请时告诉系统的设备标识，regs为中断发生时寄存器内容。device为设备名，将会出现在/proc/interrupts文件里。
flag是申请时的选项，它决定中断处理程序的一些特性，有两种方式写中断方式设备驱动程序：即快中断方式和定时等待方式。采取快中断方式需要将 request_irq()的第三个type类型参数设为SA_INTERRUPT。 正常中断与快中断的区别在于: 从正常中断返回时,内核可以利用机会调度更优先的进程执行; 而快中断不进行调度立即恢复被中断程序的执行.
在LINUX系统中，中断可以被不同的中断处理程序共享，这要求每一个共享此中断的处理程序在申请中断时在flags里设置SA_SHIRQ，这些处理程序之间以dev_id来区分。如果中断由某个处理程序独占，则dev_id 可以为NULL。request_irq返回0表示成功，返回-INVAL表示irq>15或 handler==NULL，返回-EBUSY表示中断已经被占用且不能共享。
中断处理函数形式为:
void xxx_irq_handler(int xxx_irq,void *dev_id,
struct pt_regs *regs)
§8 特殊控制函数ioctl()
ioctl ()具有设备特殊性,不同于read() , write(),在于它允许应用程序访问、配置设备，并进入可能的操作模式。通常的read()、write()不能使用这些控制操作。ioctl()可以控制I/O通道。设备驱动的一个特点是要与其它设备硬件交换读/写的数据并需要同步控制。
多数的ioctl()由一系列的switch语句组成， ioctl()命令及操作选择考虑到硬件的特性和实际要实现的功能。写ioctl()程序之前，应选择相应的命令，不应该简单使用1-N的数字。选择ioctl()的命令有以下的考虑:
·首先命令码在系统中应该唯一，以避免与其它设备冲突，每个命令码应由多个比特域构成。
· 参考两个文件来帮助选择ioctl()的命令，include/asm/ioctl.h及Documentation/ioctl_number.txt 有如下定义：
命令码有四个8比特组，其相应取值的宏定义及含义如下表：
命令码取值宏定义及含义
比特组名称 取值宏定义 含义
type _IOC_TYEBITS 表示每个驱动程序唯一的类型标识
number _IOC_NRBITS 表示序列号
direction _IOC_NONE, _IOC_READ,
_IOC_WRITE,_IOC_READ|WRITE 表示数据传输的方向
size _IOC_SIZEBITS 表示传输数据的大小
在头文件中定义了设置命令码的一些有用的宏:
_IO(type,nr);
_IOR(type,nr,size);
_IOW(type,nr,size);
_IOC_DIR(nr);
_IOC_TYPE(nr);
_IOC_NR(nr);
_IOC_SIZE(nr);
这些设置与具体的硬件功能有关，可以参考有关的硬件手册。通过以上方式可以设置命令、获得设备参数及实现控制操作, 完成设备驱动程序的重要功能。
对于设备驱动程序，ioctl() 函数非常重要，用户可以通过它来控制设备函数，获取状态信息，进行数据的读写。
ioctl()在用户空间的形式为:
int (*ioctl)(struct inode *inode , struct file *file ,
unsigned int cmd , unsigned long arg)
其中cmd相当于一个选择码,取决于使用的特殊控制命令,cmd命令通常在头文件中声明。直接的调用的格式为：
temp = ioctl( fd, XX_xxxx, param* );
\"fd\"是设备文件句柄。XX_xxxx 是控制码。Param是一个参数结构的指针，当调用 ioctl()时，需要理解一些特殊参数结构 ，可以参考下面的四个表格。返回值0表示成功，-1失败。
§9.调用Linux内核函数
Linux有许多内核函数可以调用。例如；
1)memcpy_fromfs( *toptr, *fromptr, sizeof());
// 用于从文件系统传输数据
2） memcpy_tofs ( *toptr, *fromptr, sizeof());
// 用于将数据传输到文件系统
#include asm/segment.h
void memcpy_fromfs(void * toptr,const void * fromptr,unsigned long n);
void memcpy_tofs(void * toptr,const void * fromptr,unsigned long n);
在用户程序调用read 、write时，因为进程的运行状态由用户态变为核心态，地址空间也变为核心地址空间。而read、write中参数buf是指向用户程序的私有地址空间的，所以不能直接访问，必须通过上述两个系统函数来访问用户程序的私有地址空间。memcpy_fromfs由用户程序地址空间往核心地址空间复制， memcpy_tofs则反之。参数toptr为复制的目的指针，fromptr为源指针，n 为要复制的字节数。
3） ptr = vmalloc( sizeof() );// 动态分配内存
4） vfree( ptr ); // 动态释放内存
5） vremap( xxx_mapping[ chn ].pci_addr,
xxx_mapping[ chn ].len );
// 映射PCI地址，
chn = current_map_chn.
6)作为系统核心的一部分，设备驱动程序在申请和释放内存时不是调用malloc
和free，而调用kmalloc和kfree，定义为：
#include linux/kernel.h
void * kmalloc(unsigned int len, int priority);
void kfree(void * ptr);
参数len为希望申请的字节数，ptr为要释放的内存指针。priority为分配内存操作的优先级，即在没有足够空闲内存时如何操作，一般用GFP_KERNEL。
7)与中断和内存不同，使用一个没有申请的I/O端口不会使CPU产生异常， 也
就不会导致诸如\"segmentation fault\"一类的错误发生。任何进程都可以访问
任何一个I/O端口。此时系统无法保证对I/O端口的操作不会发生冲突，甚至会因此而使系统崩溃。因此，在使用I/O端口前，也应该检查此I/O端口是否已有 别的程序在使用，若没有，再把此端口标记为正在使用，在使用完以后释放它。
这样需要用到如下几个函数：
int check_region(unsigned int from, unsigned int extent);
void request_region(unsigned int from, unsigned int extent,
const char *name);
void release_region(unsigned int from, unsigned int extent);
调用这些函数时的参数为：from表示所申请的I/O端口的起始地址；
extent为所要申请的从from开始的端口数；name为设备名，将会出现在
/proc/ioports文件里。check_region返回0表示I/O端口空闲，否则为正在
被使用。
在申请了I/O端口之后，就可以如下几个函数来访问I/O端口：
#include asm/io.h
inline unsigned int inb(unsigned short port);
inline unsigned int inb_p(unsigned short port);
inline void outb(char value, unsigned short port);
inline void outb_p(char value, unsigned short port);
其中inb_p和outb_p插入了一定的延时以适应某些慢的I/O端口。
9)在设备驱动程序里，一般都需要用到计时机制。在LINUX系统中，时钟是
由系统接管，设备驱动程序可以向系统申请时钟。与时钟有关的系统调用有：
#include asm/param.h
#include linux/timer.h
void add_timer(struct timer_list * timer);
int del_timer(struct timer_list * timer);
inline void init_timer(struct timer_list * timer);
struct timer_list的定义为：
struct timer_list {
struct timer_list *next;
struct timer_list *prev;
unsigned long expires;
unsigned long data;
void (*function)(unsigned long d);
};
其中expires是要执行function的时间。系统核心有一个全局变量JIFFIES
表示当前时间，一般在调用add_timer时jiffies=JIFFIES+num,表示在num个
系统最小时间间隔后执行function。系统最小时间间隔与所用的硬件平台有关，在核心里定义了常数HZ表示一秒内最小时间间隔的数目，则num*HZ 表示num 秒。系统计时到预定时间就调用function，并把此子程序从定时队列里删除，因此如果想要每隔一定时间间隔执行一次的话，就必须在function里再一次调用add_timer。function的参数d即为timer里面的data项。
10)在设备驱动程序里，还可能会用到如下的一些系统函数：
#include asm/system.h
#define cli() __asm__ __volatile__ (\"cli\"::)
#define sti() __asm__ __volatile__ (\"sti\"::)
这两个函数负责打开和关闭中断允许。
11)在设备驱动程序里，可以调用printk来打印一些调试信息，用法与printf 类似。
printk打印的信息不仅出现在屏幕上，同时还记录在文件syslog里。