第8章 嵌入式Linux设备驱动编程

嵌入式应用程序设计第8章嵌入式Linux设备驱动编程2第1章搭建嵌入式Linux开发环境第2章嵌入式文件I/O编程第3章嵌入式Linux多任务编程第4章嵌入式Linux进程间通行第5章嵌入式Linux多线程编程第6章嵌入式Linux网络编程第7章Qt图形编程第8章嵌入式Linux设备驱动编程第9章Qt聊天项目设计课程安排：38.1设备驱动编程基础8.2字符设备驱动编程8.3GPIO驱动程序实例8.4按键驱动编程实例8.5小结8.6思考与练习本章课程：48.1.1Linux设备驱动概述设备驱动概念操作系统是通过各种驱动程序来驾驭硬件设备的，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。设备驱动程序是操作系统最基本的组成部分之一，在Linux内核源程序中也占有60%以上。因此，熟悉驱动的编写是很重要的。Linux的一个重要特点就是将所有的设备都当做文件进行处理，这一类特殊文件就是设备文件（通常在/dev目录下），这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作，这样就大大方便了对设备的处理。8.1设备驱动编程基础58.1.1Linux设备驱动概述Linux系统的设备分为三类：字符设备、块设备和网络设备。字符设备通常指像普通文件或字节流一样，以字节为单位顺序读写的设备，如并口设备、虚拟控制台等。块设备通常指一些需要以块为单位随机读写的设备，如IDE硬盘、SCSI硬盘、光驱等。网络设备通常是指通过网络能够与其他主机进行数据通信的设备，如网卡等。8.1设备驱动编程基础68.1.1Linux设备驱动概述设备驱动程序的特点内核代码内核接口内核机制和服务可装载可设置动态性8.1设备驱动编程基础78.1.1Linux设备驱动概述设备驱动程序与整个软硬件系统的关系8.1设备驱动编程基础88.1.2Linux内核模块编程设备驱动和内核模块Linux设备驱动属于内核的一部分，Linux内核的一个模块可以以两种方式被编译和加载。直接编译进Linux内核，随同Linux启动时加载；编译成一个可加载和删除的模块。8.1设备驱动编程基础98.1.2Linux内核模块编程模块相关命令lsmod列出当前系统中加载的模块rmmod是用于将当前模块卸载。insmod和modprobe是用于加载当前模块8.1设备驱动编程基础108.1.2Linux内核模块编程Linux内核模块编程一个Linux内核模块主要由以下几个部分组成。模块加载函数（必须）模块卸载函数（必须）模块许可证声明（必须模块参数（可选）模块导出符号（可选）模块作者等信息声明（可选）8.1设备驱动编程基础118.1.2Linux内核模块编程Linux内核模块编程模块加载函数staticint__initinitialization_function(void){/*初始化代码*/}module_init(initialization_function);模块卸载函数staticvoid__exitcleanup_function(void){/*释放代码*/}module_exit(cleanup_function);8.1设备驱动编程基础128.1.2Linux内核模块编程Linux内核模块编程通常来说，模块卸载函数要完成与模块加载函数相反的功能若模块加载函数注册XXX，则模块卸载函数应该注销XXX。若模块加载函数动态申请了内存，则模块卸载函数应释放该内存。若模块加载函数申请了硬件资源（中断、DMA通道、I/O端口和I/O内存等)的占用，则模块卸载函数应释放这些硬件资源。若模块加载函数开启了硬件,则卸载函数中一般要关闭硬件。8.1设备驱动编程基础138.1.2Linux内核模块编程Linux内核模块编程模块参数“module_param(参数名,参数类型,参数读/写权限)”为模块定义一个参数staticchar*str_param=LinuxModuleProgram;staticintnum_param=4000;module_param(num_param,int,S_IRUGO);module_param(str_param,charp,S_IRUGO);8.1设备驱动编程基础148.1.2Linux内核模块编程Linux内核模块编程导出符号EXPORT_SYMBOL(符号名);EXPORT_SYMBOL_GPL(符号名);模块声明与描述MODULE_AUTHOR(author);MODULE_DESCRIPTION(description);MODULE_VERSION(version_string);MODULE_DEVICE_TABLE(table_info);MODULE_ALIAS(alternate_name);8.1设备驱动编程基础158.1.2Linux内核模块编程Linux内核模块编程模块的使用计数Linux2.4内核中，模块自身通过MOD_INC_USE_COUNT、MOD_DEC_USE_COUNT宏来管理自己被使用的计数。Linux2.6内核提供了模块计数管理接口try_module_get(&module)和module_put(&module)，从而取代Linux2.4内核中的模块使用计数管理宏。8.1设备驱动编程基础168.1.2Linux内核模块编程Linux内核模块编程模块编译我们可以为HelloWorld模块程序编写一个简单的Makefile，如下所示：obj-m:=hello.o并使用如下命令编译HelloWorld模块，如下所示：$make-C/usr/src/linux-2.6.15.5/M=/driver_study/modules如果当前处于模块所在的目录，以下命令与上述命令同等：$make–C/usr/src/linux-2.6.15.5M=$(pwd)modules8.1设备驱动编程基础178.1.2Linux内核模块编程Linux内核模块编程模块与GPL对于自己编写的驱动等内核代码，如果不编译为模块则无法绕开GPL，编译为模块后企业在产品中使用模块。8.1设备驱动编程基础188.1.2Linux内核模块编程Linux内核模块编程内核模块示例8.1设备驱动编程基础198.2.1字符设备驱动编写流程8.2字符设备驱动编程用户调用模块init_module()cleanup_module()内核注册设备卸载设备设备功能insmodrmmod208.2.2重要数据结构file_operationsstructfile_operations{loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int);ssize_t(*read)(structfile*filp,char*buff,size_tcount,loff_t*offp);ssize_t(*write)(structfile*filp,constchar*buff,size_tcount,loff_t*offp);int(*readdir)(structfile*,void*,filldir_t);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*);int(*fsync)(structfile*,structdentry*);int(*fasync)(int,structfile*,int);int(*check_media_change)(kdev_tdev);int(*revalidate)(kdev_tdev);int(*lock)(structfile*,int,structfile_lock*);};8.2字符设备驱动编程218.2.2重要数据结构structinode结构提供了关于设备文件/dev/driver（假设此设备名为driver）的信息，file结构提供关于被打开的文件信息，主要用于与文件系统对应的设备驱动程序使用。structfile{mode_tf_mode;/*标识文件是否可读或可写，FMODE_READ或FMODE_WRITE*/dev_tf_rdev;/*用于/dev/tty*/off_tf_pos;/*当前文件位移*/unsignedshortf_flags;/*文件标志，如O_RDONLY、O_NONBLOCK和O_SYNC*/unsignedshortf_count;/*打开的文件数目*/unsignedshortf_reada;structinode*f_inode;/*指向inode的结构指针*/structfile_operations*f_op;/*文件索引指针*/};8.2字符设备驱动编程228.2.3设备驱动程序主要组成早期版本的字符设备注册register_chrdev()unregister_chrdev()8.2字符设备驱动编程238.2.3设备驱动程序主要组成早期版本的字符设备注册unregister_chrdev()8.2字符设备驱动编程248.2.3设备驱动程序主要组成设备号相关函数获取设备号MAJOR(dev_tdev);/*获得主设备号*/MINOR(dev_tdev);/*获得次设备号*/MKDEV(intmajor,intminor);设备注册于注销8.2字符设备驱动编程258.2.3设备驱动程序主要组成设备号相关函数获取设备号MAJOR(dev_tdev);/*获得主设备号*/MINOR(dev_tdev);/*获得次设备号*/MKDEV(intmajor,intminor);设备注册于注销8.2字符设备驱动编程268.2.3设备驱动程序主要组成新版本设备注册8.2字符设备驱动编程278.2.3设备驱动程序主要组成打开设备int(*open)(structinode*,structfile*);通常情况下在open函数接口中要完成如下工作：如果未初始化，则进行初始化。识别次设备号，如果必要，更新f_op指针。分配并填写被置于filp-private_data的数据结构。检查设备特定的错误（诸如设备未就绪或类似的硬件问题）。8.2字符设备驱动编程288.2.3设备驱动程序主要组成释放设备释放设备的函数接口是release()。释放设备时要完成的工作如下：释放打开设备时系统所分配的内存空间（包括filp-private_data指向的内存空间）。在最后一次关闭设备（使用close()系统调用）时，才会真正释放设备（执行release()函数）。即在打开计数等于0时的close()系统调用才会真正进行设备的释放操作。8.2字符设备驱动编程298.2.3设备驱动程序主要组成读写设备read()和write()函数8.2字符设备驱动编程308.2.3设备驱动程序主要组成读写设备copy_to_user()和copy_from_user()8.2字符设备驱动编程318.2.3设备驱动程序主要组成ioctl大部分设备除了读写操作，还需要硬件配置和控制（例如，设置串口设备的波特率）等很多其他操作。在字符设备驱动中ioctl函数接口给用户提供对设备的非读写