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第10章设备管理第10章主要内容本章主要介绍了设备管理方面的有关知识：◆系统管理设备的方式。◆驱动程序运作过程。◆驱动程序的具体实例。第10章目录10.1设备管理结构10.2驱动程序10.3驱动程序编写实例第10章目录10.1设备管理结构10.2驱动程序10.3驱动程序编写实例10.1设备管理结构：设备管理即输入输出子系统，分为上下两部分：1.上层的，与设备无关的，这部分根据输入输出请求，通过特定的设备驱动程序接口，来与设备进行通信。2.下层的，与设备有关的，常称为设备驱动程序，它直接与相应设备打交道，并且向上层提供一组访问接口。概述10.1设备管理结构：概述设备管理的目标是对所有的外接设备进行良好的读、写、控制等操作。待解决问题：怎样将任意的一个设备的所有操作进行归纳，设计出统一的接口。内核常常使用设备类型、主设备号和次设备号来标识一个具体的设备。10.1设备管理结构：概述Linux中的设备管理应用了设备文件这个概念来统一设备的访问接口。简单的说，系统试图使它对所有各类设备的输入、输出看起来就好像对普通文件的输入、输出一样。如图10-1所示，应用程序通过Linux的系统调用与内核通信。10.1设备管理结构：概述由于Linux中将设备当作文件来处理，所以对设备进行操作的系统调用和对文件操作的类似，主要包括open()、read()、write()、ioctl()、close()等。应用程序发出系统调用指令以后，会从用户态转换到内核态，通过内核将open()这样的系统调用转换成对物理设备的操作。10.1设备管理结构：字符设备以字节为单位进行数据处理。字符设备通常只允许按顺序访问，一般不使用缓存技术。如鼠标，声卡等。块设备以块为单位进行处理，块的大小通常为0.5KB到32KB等。字符设备与块设备10.1设备管理结构：字符设备与块设备大多数块设备允许随机访问，而且常常采用缓存技术。块设备有硬盘、光盘驱动器等。可以查看文件/proc/devices获得。这里主要讨论字符设备，有兴趣的读者可参考其它书籍中有关块设备的内容。10.1设备管理结构：设备管理中，除了设备类型（字符设备或块设备）以外，内核还需要一对称做主、次设备号的参数，才能唯一表示设备。主设备号和次设备号10.1设备管理结构：主设备号和次设备号主设备号（majornumber）相同的设备使用相同的驱动程序，而次设备号(minornumber)用来区分具体设备的实例。例如：第一IDE接口上的所有磁盘及其分区共用同一主设备号3，而次设备号则为0，1，2，3…。10.1设备管理结构：Linux习惯上将设备文件放在目录/dev或其子目录之下。设备文件命名（通常由两部分组成）规则为：第一部分通常较短，可能只有2或3个字母组成，用来表示设备大类。例如：普通硬盘如IDE接口的为“hd”,软盘为“fd”。Linux设备命名习惯10.1设备管理结构：Linux设备命名习惯第二部分通常为数字或字母用来区别设备实例。例如：/dev/hda、/dev/hdb、/dev/hdc表示第一、二、三块硬盘；而dev/hda1、/dev/hda2、/dev/hda3则表示第一硬盘的第一、二、三分区。第10章目录10.1设备管理结构10.2驱动程序10.3驱动程序编写实例10.2驱动程序：在Linux操作系统中驱动程序是操作系统内核与硬件设备之间的桥梁，它屏蔽了硬件的细节(如总线协议、DMA操作等)，在应用程序看来硬件设备只是一个特殊的文件。驱动程序基本功能10.2驱动程序：驱动程序基本功能1.对设备初始化和释放。如对音频设备而言包括向内核注册设备，设置音频的输入输出参数(如采样频率、采样宽度等)、分配音频设备使用的内核内存等工作。2.对设备进行管理。包括实时参数设置以及提供对设备的操作接口。驱动程序的基本功能为：10.2驱动程序：驱动程序基本功能3.读取应用程序传送给设备文件的数据并回送应用程序请求的数据。这需要在用户空间、内核空间、总线及外设之间传输数据。4.检测和处理设备出现的错误。10.2驱动程序：驱动程序的运作过程当一个程序读/dev/tty文件(此为键盘)时，就会执行系统调用sys_read()（在fs/read_write.c中），该系统调用在判别出所读文件是一个字符设备文件时，即会调用rw_char()函数（在fs/char_dev.c中），该函数则会根据所读设备的设备类型，主、次设备号等参数，由字符设备读写函数表（设备开关表）调用rw_tty()，最终调用到这里的终端读操作函数tty_read()10.2驱动程序：驱动程序的运作过程当用户在键盘上键入了一个字符时，会引起键盘中断响应，此时键盘中断处理程序就会从键盘控制器读入对应的键盘扫描码，然后根据使用的键盘扫描码映射表译成相应字符，放入tty读队列read_q中。10.2驱动程序：驱动程序的运作过程然后调用中断处理程序的do_tty_interrupt()函数，它又直接调用行规则函数copy_to_cooked()对该字符进行过滤处理，并放入tty辅助队列secondary中，供上述tty_read()读取。10.2驱动程序：驱动程序的运作过程同时把该字符放入tty写队列write_q中，并调用写控制台函数con_write()。此时如果该终端的回显(echo)属性是设置的，则该字符会显示到屏幕上（注：do_tty_interrupt()和copy_to_cooked()函数在tty_io.c中实现）。10.2驱动程序：open():打开设备，并初始化设备准备进行操作。可以为NULL，这样每次打开设备总会成功，而且不通知设备驱动程序。read():从设备中读数据，需要提供字符串指针。write():向字符设备写数据，需要提供所写内容指针。ioctl():控制设备，例如控制光盘的弹出等。需要提供符合设备预先定义的命令字。常用接口介绍10.2驱动程序：常用接口介绍llseek():重新定位读、写位置，需要提供偏移量参数。flush():清除内容。release():关闭设备，并释放资源等。mmap():将设备内存映射到进程地址空间。通常只有块设备驱动程序使用。10.2驱动程序：structfile_operations{structmodule*owner;loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int);ssize_t(*read)(structfile*,char*,size_t,loff_t*);ssize_t(*write)(structfile*,constchar*,size_t,loff_t*);int(*readdir)(structfile*,void*,filldir_t);常用函数原型1.设备操作函数原形unsignedint(*poll)(structfile*,structpoll_table_struct*);int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsignedint,unsignedlong);int(mmap)(structfile*,structvm_area_struct*);int(*open)(structinode*,structfile*);int(*flush)(structfile*);int(*release)(structinode*,structfile*);10.2驱动程序：常用函数原型int(*fsync)(structfile,structdentry*,intdatasync);int(*fasync)(int,structfile*,int);int(*lock)(structfile*,intstructfile_lock*);ssize_t(*readv)(structfile*,conststructiovec*,unsignedlong,loff_t*);ssize_t(*writev)(structfile*,conststructiovec*,unsignedlong,loff_t*);}10.2驱动程序：常用函数原型intregister_chrdev(unsignedintmajor,constchar*name,structfile_operations*fops){if(major==0){write_lock(&chrdevs_lock);2．向系统注册的函数原形10.2驱动程序：常用函数原型for(major=MAX_CHRDEV-1;major0;major--){if(chrdevs[major].fops==NULL){chrdevs[major].name=name;chrdevs[major].fops=fops;write_unlock(&chrdevs_lock);returnmajor;}}10.2驱动程序：常用函数原型write_unlock(&chrdevs_lock);return-EBUSY;}if(majorMAX_CHRDEV)return-EINVAL;write_lock(&chrdevs_lock);10.2驱动程序：常用函数原型if(chrdevs[major].fops&&chrdevs[major].fops!=fops){write_unlock(&chrdevs_lock);return-EBUSY;}chrdevs[major].name=name;chrdevs[major].fops=fops;write_unlock(&chrdevs_lock);return0;}第10章目录10.1设备管理结构10.2驱动程序10.3驱动程序编写实例10.3驱动程序编写实例为了更清楚地讲述Linux中设备驱动程序的编写，加深读者对启动程序的了解。下面介绍一个简单的设备驱动的实现过程。由于基于特殊的硬件设备实现的驱动程序难度较大，而且不方便验证，下面举一个虚拟设备驱动程序的例子。10.3驱动程序编写实例：实现虚拟设备的写入、读出等操作。这个驱动程序并不是基于特定硬件设备的，实际上仅仅是对内存进行读、写操作。设备功能介绍10.3驱动程序编写实例：设备功能介绍1.函数mydrv_read()的功能是从mybuf[100]中读取字符串，并传递给调用的进程。2.函数mydrv_write()的功能是将调用的进程传入的字符串赋值给mybuf，如果字符串的长度超过100，则只取前100个字符。3.函数mydrv_ioctl()中仅仅实现了一个控制功能：清除mybuf存储区。10.3驱动程序编写实例：首先，要根据设备功能的需要，编写file_operations结构中的操作函数。其次，要向系统注册该设备，包括字符设备的注册，devfs节点的注册与中断响应函数的注册。然后就可以利用对应的文件进行设备操控了。具体如下：具体实现10.3驱动程序编写实例：具体实现#includelinux/module.h#includelinux/kernel.h#includelinux/fs.h#includelinux/types.h#includelinux/malloc.h#includeasm/uaccess.h#includeasm/page.h#includelinux/ermo.h#includelinux/config.h1．源程序:10.3驱动程序编写实例：具体实现#defineMYDRV_CLS_IO('c',0x01)//定义清存储区命令字charmybuf[100];//存储区域intmydrv_major=99;//主设备号devfs_handle_tdev_handle;//保存设备文件系统的注册句柄//第一步：编写file_operations函数10.3驱动程序编写实例：具体实现ssize_tmydrv_read(structfile*filp,char*buf,size_tcount,loff