【驱动】linux设备驱动·扫盲

linux设备驱动

Linux系统把设备驱动分成字符设备、块设备和网络设备三种类型。

内核为设备驱动提供了注册和管理的接口，设备驱动还可以使用内核提供的其他功能以及访问内核资源。

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PCI局部总线

早期的计算机有众多总线标准。从最初的8位总线到16位总线，到目前主流的32位总线，不同厂商都制定了自己的总线标准。不同的总线设备给设备驱动的设计带了麻烦，直到后来PCI局部总线出台这种局面才得到缓解，并且逐步成为事实上的标准。

PCI是英文Peripheral Component Interconnect的缩写，中文意思是外设部件互连标准。

PCI局部总线标准最早由英特尔公司为制定，最初主要应用在PC机。目前已经被越来越多的嵌入式系统已经其他类型的计算机系统使用。

设计PCI的原因是由于之前的总线有许多的缺点，归纳总结为以下几点：

• 总线速度过慢。

• 总线地址分配方法复杂。

• 总线资源共享效率低。

PCI总线采用软件配置地址和其它总线信息的方法，避免了手工配置设备在总线地址带来的麻烦，此外，PCI还支持通过桥的方式扩展总线的处理能力。

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Linux设备驱动基本概念

在Linux系统中，所有的资源都是作为文件管理的，设备驱动也不例外，设备驱动通常是作为一类特殊的文件存放在/dev目录下。

total 0
crw-------  1 root root     10,  58 Jun  8 11:40 alarm
crw-------  1 root root     10,  59 Jun  8 11:40 ashmem
crw------T  1 root root     10, 235 Jun  8 11:40 autofs
crw-------  1 root root     10,  60 Jun  8 11:40 binder
drwxr-xr-x  2 root root         740 Jun  8  2013 block
drwxr-xr-x  2 root root          80 Jun  8  2013 bsg
crw------T  1 root root     10, 234 Jun  8 11:40 btrfs-control
drwxr-xr-x  3 root root          60 Jun  8  2013 bus
lrwxrwxrwx  1 root root           3 Jun  8 11:40 cdrom -> sr0
lrwxrwxrwx  1 root root           3 Jun  8 11:40 cdrw -> sr0
drwxr-xr-x  2 root root        3700 Jun  8 11:40 char
crw-------  1 root root      5,   1 Jun  8 11:40 console
lrwxrwxrwx  1 root root          11 Jun  8 11:40 core -> /proc/kcore
drwxr-xr-x  2 root root          60 Jun  8 11:40 cpu
crw-------  1 root root     10,  57 Jun  8 11:40 cpu_dma_latency
drwxr-xr-x  6 root root         120 Jun  8  2013 disk

这里仅列出了一部分文件，设备文件属性最开始的一个字符c表示该设备文件关联的是一个字符设备；b表示关联的是一个块设备。在文件列表的中间部分有两个数字，第一个数字称做主设备号，第二个数字称做次设备号。

在内核中使用主设备号标识一个设备，次设备号提供给设备驱动使用。

在打工一个设备的时候，内核会根据设备的主设备号得到设备驱动，并且把次设备传递给驱动。linux内核为所有设备都分配了主设备号，在编写驱动程序之前需要参考内核代码Documentation/devices.txt文件，确保使用的设备号没有被占用。

在使用一个设备之前，需要使用linux提供的mknod命令建立设备文件。mknod命令格式如下

mknod [OPTION] ... NAME TYPE [MAJOR MINOR]

其中，NAME是设备文件名称；TYPE是设备类型，c代码字符设备，b代表块设备；MAJOR是主设备号，MINOR是次设备号。OPTION是选项，-m参数用于指定设备文件访问权限。

linux内核按照外部设备工作特点把设备分成了字符设备、块设备和网络设备3种基本类型。

在编写设备驱动的时候，需要使用内核提供的设备驱动接口，向内核提供具体设备的操作方法。

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字符设备

字符设备是Linux系统最简单的一类设备。

应用程序可以像操作普通文件一样操作字符设备。常见的串口、调制解调器都是字符设备。

编写字符设备驱动需要使用内核提供的register_chardev()函数注册一个字符设备驱动。

函数定义如下：

int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops);

fops是指向函数指针数组的结构指针，驱动程序的入口函数都包括在这个指针内部。

该函数的返回值如果小于0表示注册设备驱动失败，如果设置major为0，表示由内核动态分配主设备号，函数的返回值是主设备号。

当使用register_chardve()函数成功注册一个字符设备后，会在/proc/devices文件中显示出设备信息

mystery@lcw:~$ cat /proc/devices
Character devices:
  1 mem
  4 /dev/vc/0
  4 tty
  4 ttyS
  7 vcs
 10 misc
 13 input
 21 sg
 29 fb
 99 ppdev
108 ppp
253 watchdog
254 rtc
Block devices:
  1 ramdisk
259 blkext
  7 loop
  8 sd
  9 md
252 device-mapper
253 virtblk
254 mdp

删除了一些，其中Character devices是字符设备驱动列表，Block devices是块设备驱动列表，数字代表主设备驱动，后面是设备驱动名称。

与注册驱动相反，内核提供了unregister_chardev()函数卸载设备驱动or

int unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);

内核会比较设备驱动名称与设备号是否相同，如果不同函数返回-EINVAL。错误地卸载设备驱动会带来严重后果，因此在卸载驱动的时候应该对函数返回值做判断。

在register_chardev()函数中有一个fops参数，该参数指向一个file_operation结构，该结构包含了驱动上的所有操作。随着内核功能的不断增加，file_operations结构的定义也越来越复杂。

大部分驱动都没有提供所有的函数，对于字符设备来说，常用的函数如下

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块设备

与字符设备相比，块设备要复杂的多。

最主要的差别是块设备带有缓冲，字符设备没有。

块设备传输数据只能以块作为单位读写，字符设备是以字节作为最小读写单位的。块设备对于I/O请求有对应的缓冲区，可以选择响应的顺序，如采用特定的调度策略等；字符设备只能顺序访问。

此外，块设备提供了随机访问的能力，而字符设备之顺序读取数据。

块设备提供了一个类似字符设备的访问函数结构block_device_operations，定义如下

struct block_device_operations
{
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned, unsigned long);
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned, unsigned long);
    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned, unsigned long);
    int (*direct_access) (struct block_device *, sector_t, unsigned long *);
    int (*media_changed) (struct gendisk *);
    int (*revalidate_disk) (struct gendisk *);
    int (*getgeo)(struct block_device *, struct hd_geometry *);
    struct module *owner;
};

其中，open、release、ioctl等函数的功能与字符设备相同。

块设备提供了几个特有的函数成员：

• media_change()函数用来检查介质是否改变，主要用于检查可移动设备；

• revalidate_disk()函数响应物理介质的改变请求；

• getgen()函数用于向系统汇报驱动器信息。

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网络设备

在Linux内核中，网络设备是一类特殊的设备，因此被单独设计为一种类型的驱动。

与其他设备不同的是，网络设备不是通过设备文件访问的，在/dev目录下不会看到任何网络设备。因此，网络设备的操作不是通过文件操作实现的。

Linux内核为了抽象网络设备界面，为其定义了一个接口用于屏蔽网络环境下各种网络设备的差别。内核对所有网络设备的访问都通过这个抽象的接口，接口对上层网络协议提供相同的操作方法。

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