http://blog.csdn.net/lemon_fantasy/archive/2009/02/17/3901030.aspx

Linux 將所有外部設(shè)備看成是一類特殊文件，稱之為“設(shè)備文件”，如果說系統(tǒng)調(diào)用是Linux內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，那么設(shè)備驅(qū)動程序則可以看成是Linux 內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。設(shè)備驅(qū)動程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件在實(shí)現(xiàn)上的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設(shè)備。

1. 字符設(shè)備和塊設(shè)備

Linux 抽象了對硬件的處理，所有的硬件設(shè)備都可以像普通文件一樣來看待：它們可以使用和操作文件相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口來完成打開、關(guān)閉、讀寫和I/O控制操作，而驅(qū)動程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。Linux系統(tǒng)中的所有硬件設(shè)備都使用一個特殊的設(shè)備文件來表示，例如，系統(tǒng)中的第一個IDE 硬盤使用/dev/hda表示。每個設(shè)備文件對應(yīng)有兩個設(shè)備號：一個是主設(shè)備號，標(biāo)識該設(shè)備的種類，也標(biāo)識了該設(shè)備所使用的驅(qū)動程序；另一個是次設(shè)備號，標(biāo)識使用同一設(shè)備驅(qū)動程序的不同硬件設(shè)備。設(shè)備文件的主設(shè)備號必須與設(shè)備驅(qū)動程序在登錄該設(shè)備時申請的主設(shè)備號一致，否則用戶進(jìn)程將無法訪問到設(shè)備驅(qū)動程序。

在Linux操作系統(tǒng)下有兩類主要的設(shè)備文件：一類是字符設(shè)備，另一類則是塊設(shè)備。字符設(shè)備是以字節(jié)為單位逐個進(jìn)行 I/O操作的設(shè)備，在對字符設(shè)備發(fā)出讀寫請求時，實(shí)際的硬件I/O緊接著就發(fā)生了，一般來說字符設(shè)備中的緩存是可有可無的，而且也不支持隨機(jī)訪問。塊設(shè)備則是利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進(jìn)程對設(shè)備進(jìn)行讀寫請求時，驅(qū)動程序先查看緩沖區(qū)中的內(nèi)容，如果緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)能滿足用戶的要求就返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，否則就調(diào)用相應(yīng)的請求函數(shù)來進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備主要是針對磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計的，其目的是避免耗費(fèi)過多的CPU時間來等待操作的完成。一般說來，PCI卡通常都屬于字符設(shè)備。

所有已經(jīng)注冊（即已經(jīng)加載了驅(qū)動程序）的硬件設(shè)備的主設(shè)備號可以從/proc/devices文件中得到。使用mknod命令可以創(chuàng)建指定類型的設(shè)備文件，同時為其分配相應(yīng)的主設(shè)備號和次設(shè)備號。例如，下面的命令：

[root@gary root]# mknod? /dev/lp0? c? 6? 0

將建立一個主設(shè)備號為6，次設(shè)備號為0的字符設(shè)備文件/dev/lp0。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)δ硞€設(shè)備文件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時，Linux內(nèi)核會根據(jù)該設(shè)備文件的設(shè)備類型和主設(shè)備號調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序，并從用戶態(tài)進(jìn)入到核心態(tài)，再由驅(qū)動程序判斷該設(shè)備的次設(shè)備號，最終完成對相應(yīng)硬件的操作。

2. 設(shè)備驅(qū)動程序接口

??? Linux中的I/O子系統(tǒng)向內(nèi)核中的其他部分提供了一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備接口，這是通過include/linux/fs.h中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations來完成的：??? struct file_operations {
??????? struct module *owner;
??????? loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
??????? ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
??????? ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
??????? int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
??????? unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
??????? int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
??????? int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
??????? int (*open) (struct inode *, struct file *);
??????? int (*flush) (struct file *);
??????? int (*release) (struct inode *, struct file *);
??????? int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
??????? int (*fasync) (int, struct file *, int);
??????? int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
??????? ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
??????? ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
??????? ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
??????? unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
};

??? 當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行諸如 open、close、read、write等操作時，Linux內(nèi)核將通過file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序提供的函數(shù)。例如，當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件執(zhí)行讀操作時，內(nèi)核將調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的read函數(shù)。

3. 設(shè)備驅(qū)動程序模塊?

??? Linux下的設(shè)備驅(qū)動程序可以按照兩種方式進(jìn)行編譯，一種是直接靜態(tài)編譯成內(nèi)核的一部分，另一種則是編譯成可以動態(tài)加載的模塊。如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話，會增加內(nèi)核的大小，還要改動內(nèi)核的源文件，而且不能動態(tài)地卸載，不利于調(diào)試，所有推薦使用模塊方式。

??? 從本質(zhì)上來講，模塊也是內(nèi)核的一部分，它不同于普通的應(yīng)用程序，不能調(diào)用位于用戶態(tài)下的C或者C++庫函數(shù)，而只能調(diào)用Linux內(nèi)核提供的函數(shù)，在/proc/ksyms中可以查看到內(nèi)核提供的所有函數(shù)。

??? 在以模塊方式編寫驅(qū)動程序時，要實(shí)現(xiàn)兩個必不可少的函數(shù)init_module( )和cleanup_module( )，而且至少要包含<linux/krernel.h>和<linux/module.h>兩個頭文件。在用gcc編譯內(nèi)核模塊時，需要加上-DMODULE -D__KERNEL__ -DLINUX這幾個參數(shù)，編譯生成的模塊（一般為.o文件）可以使用命令insmod載入Linux內(nèi)核，從而成為內(nèi)核的一個組成部分，此時內(nèi)核會調(diào)用模塊中的函數(shù)init_module( )。當(dāng)不需要該模塊時，可以使用rmmod命令進(jìn)行卸載，此進(jìn)內(nèi)核會調(diào)用模塊中的函數(shù)cleanup_module( )。任何時候都可以使用命令來lsmod查看目前已經(jīng)加載的模塊以及正在使用該模塊的用戶數(shù)。

??? 3. 設(shè)備驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)

??? 了解設(shè)備驅(qū)動程序的基本結(jié)構(gòu)（或者稱為框架），對開發(fā)人員而言是非常重要的，Linux的設(shè)備驅(qū)動程序大致可以分為如下幾個部分：驅(qū)動程序的注冊與注銷、設(shè)備的打開與釋放、設(shè)備的讀寫操作、設(shè)備的控制操作、設(shè)備的中斷和輪詢處理。
驅(qū)動程序的注冊與注銷

??? 向系統(tǒng)增加一個驅(qū)動程序意味著要賦予它一個主設(shè)備號，這可以通過在驅(qū)動程序的初始化過程中調(diào)用register_chrdev( )或者register_blkdev( )來完成。而在關(guān)閉字符設(shè)備或者塊設(shè)備時，則需要通過調(diào)用unregister_chrdev( )或unregister_blkdev( )從內(nèi)核中注銷設(shè)備，同時釋放占用的主設(shè)備號。
? 設(shè)備的打開與釋放

??? 打開設(shè)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)open( )來完成的，它是驅(qū)動程序用來為今后的操作完成初始化準(zhǔn)備工作的。在大部分驅(qū)動程序中，open( )通常需要完成下列工作：

1.??? 檢查設(shè)備相關(guān)錯誤，如設(shè)備尚未準(zhǔn)備好等。

2.??? 如果是第一次打開，則初始化硬件設(shè)備。

3.??? 識別次設(shè)備號，如果有必要則更新讀寫操作的當(dāng)前位置指針f_ops。

4.??? 分配和填寫要放在file->private_data里的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

5.??? 使用計數(shù)增1。

??? 釋放設(shè)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)release( )來完成的，這個設(shè)備方法有時也被稱為close( )，它的作用正好與open( )相反，通常要完成下列工作：

6.??? 使用計數(shù)減1。

7.??? 釋放在file->private_data中分配的內(nèi)存。

8.??? 如果使用計算為0，則關(guān)閉設(shè)備。

設(shè)備的讀寫操作

??? 字符設(shè)備的讀寫操作相對比較簡單，直接使用函數(shù)read( )和write( )就可以了。但如果是塊設(shè)備的話，則需要調(diào)用函數(shù)block_read( )和block_write( )來進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，這兩個函數(shù)將向設(shè)備請求表中增加讀寫請求，以便Linux內(nèi)核可以對請求順序進(jìn)行優(yōu)化。由于是對內(nèi)存緩沖區(qū)而不是直接對設(shè)備進(jìn)行操作的，因此能很大程度上加快讀寫速度。如果內(nèi)存緩沖區(qū)中沒有所要讀入的數(shù)據(jù)，或者需要執(zhí)行寫操作將數(shù)據(jù)寫入設(shè)備，那么就要執(zhí)行真正的數(shù)據(jù)傳輸，這是通過調(diào)用 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)blk_dev_struct中的函數(shù)request_fn( )來完成的。

·?? 設(shè)備的控制操作

??? 除了讀寫操作外，應(yīng)用程序有時還需要對設(shè)備進(jìn)行控制，這可以通過設(shè)備驅(qū)動程序中的函數(shù)ioctl( )來完成。ioctl( )的用法與具體設(shè)備密切關(guān)聯(lián)，因此需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。

·?? 設(shè)備的中斷和輪詢處理

??? 對于不支持中斷的硬件設(shè)備，讀寫時需要輪流查詢設(shè)備狀態(tài)，以便決定是否繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如果設(shè)備支持中斷，則可以按中斷方式進(jìn)行操作。

4．PCI驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)

·?? 關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

??? PCI設(shè)備上有三種地址空間：PCI的I/O空間、PCI的存儲空間和PCI的配置 空間。CPU可以訪問PCI設(shè)備上的所有地址空間，其中I/O空間和存儲空間提供給設(shè)備驅(qū)動程序使用，而配置空間則由Linux內(nèi)核中的PCI初始化代碼使用。內(nèi)核在啟動時負(fù)責(zé)對所有PCI設(shè)備進(jìn)行初始化，配置好所有的PCI設(shè)備，包括中斷號以及I/O基址，并在文件/proc/pci中列出所有找到的 PCI設(shè)備，以及這些設(shè)備的參數(shù)和屬性。

??? Linux驅(qū)動程序通常使用結(jié)構(gòu)（struct）來表示一種設(shè)備，而結(jié)構(gòu)體中的變量則代表某一具體設(shè)備，該變量存放了與該設(shè)備相關(guān)的所有信息。好的驅(qū)動程序都應(yīng)該能驅(qū)動多個同種設(shè)備，每個設(shè)備之間用次設(shè)備號進(jìn)行區(qū)分，如果采用結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來代表所有能由該驅(qū)動程序驅(qū)動的設(shè)備，那么就可以簡單地使用數(shù)組下標(biāo)來表示次設(shè)備號。

在PCI驅(qū)動程序中，下面幾個關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)起著非常核心的作用：

·?? pci_driver

?????? 這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在文件include/linux/pci.h里，這是Linux內(nèi)核版本2.4之后為新型的PCI設(shè)備驅(qū)動程序所添加的，其中最主要的是用于識別設(shè)備的id_table結(jié)構(gòu)，以及用于檢測設(shè)備的函數(shù)probe( )和卸載設(shè)備的函數(shù)remove( )：

struct pci_driver {

??? struct list_head node;

??? char *name;

??? const struct pci_device_id *id_table;

??? int (*probe) (struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id);

??? void (*remove) (struct pci_dev *dev);

??? int (*save_state) (struct pci_dev *dev, u32 state);

??? int (*suspend)(struct pci_dev *dev, u32 state);

??? int (*resume) (struct pci_dev *dev);

??? int (*enable_wake) (struct pci_dev *dev, u32 state, int enable);

};

·?? pci_dev

這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也在文件include/linux/pci.h里，它詳細(xì)描述了一個PCI設(shè)備幾乎所有的硬件信息，包括廠商ID、設(shè)備ID、各種資源等：

struct pci_dev {

??? struct list_head global_list;

??? struct list_head bus_list;

??? struct pci_bus *bus;

??? struct pci_bus *subordinate;

??? void??????? *sysdata;

??? struct proc_dir_entry *procent;

??? unsigned int??? devfn;

??? unsigned short vendor;

??? unsigned short device;

??? unsigned short subsystem_vendor;

??? unsigned short subsystem_device;

??? unsigned int??? class;

??? u8??????? hdr_type;

??? u8??????? rom_base_reg;

??? struct??? pci_driver *driver;

??? void????? *driver_data;

??? u64?????? dma_mask;

??? u32??????? current_state;

??? unsigned short vendor_compatible[DEVICE_COUNT_COMPATIBLE];

??? unsigned short device_compatible[DEVICE_COUNT_COMPATIBLE];

??? unsigned int??? irq;

??? struct resource resource[DEVICE_COUNT_RESOURCE];

??? struct resource dma_resource[DEVICE_COUNT_DMA];

??? struct resource irq_resource[DEVICE_COUNT_IRQ];

??? char?????? name[80];

??? char?????? slot_name[8];

??? int??????? active;

??? int??????? ro;

??? unsigned short regs;

??? int (*prepare)(struct pci_dev *dev);

??? int (*activate)(struct pci_dev *dev);

??? int (*deactivate)(struct pci_dev *dev);

};

·?? 基本框架

??? 在用模塊方式實(shí)現(xiàn)PCI設(shè)備驅(qū)動程序時，通常至少要實(shí)現(xiàn)以下幾個部分：初始化設(shè)備模塊、設(shè)備打開模塊、數(shù)據(jù)讀寫和控制模塊、中斷處理模塊、設(shè)備釋放模塊、設(shè)備卸載模塊。下面給出一個典型的PCI設(shè)備驅(qū)動程序的基本框架，從中不難體會到這幾個關(guān)鍵模塊是如何組織起來的。

/* 指明該驅(qū)動程序適用于哪一些PCI設(shè)備 */

static struct pci_device_id demo_pci_tbl [] __initdata = {

??? {PCI_VENDOR_ID_DEMO, PCI_DEVICE_ID_DEMO,

???? PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, DEMO},

??? {0,}

};

/* 對特定PCI設(shè)備進(jìn)行描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) */

struct demo_card {

??? unsigned int magic;

??? /* 使用鏈表保存所有同類的PCI設(shè)備 */

??? struct demo_card *next;

??? /* ... */

}

/* 中斷處理模塊 */

static void demo_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs)

{

??? /* ... */

}

/* 設(shè)備文件操作接口 */

static struct file_operations demo_fops = {

??? owner:????? THIS_MODULE,?? /* demo_fops所屬的設(shè)備模塊 */

??? read:?????? demo_read,??? /* 讀設(shè)備操作*/

??? write:????? demo_write,??? /* 寫設(shè)備操作*/

??? ioctl:????? demo_ioctl,??? /* 控制設(shè)備操作*/

??? mmap:?????? demo_mmap,??? /* 內(nèi)存重映射操作*/

??? open:?????? demo_open,??? /* 打開設(shè)備操作*/

??? release:??? demo_release??? /* 釋放設(shè)備操作*/

??? /* ... */

};

/* 設(shè)備模塊信息 */

static struct pci_driver demo_pci_driver = {

??? name:?????? demo_MODULE_NAME,??? /* 設(shè)備模塊名稱 */

??? id_table:?? demo_pci_tbl,??? /* 能夠驅(qū)動的設(shè)備列表 */

??? probe:????? demo_probe,??? /* 查找并初始化設(shè)備 */

??? remove:???? demo_remove??? /* 卸載設(shè)備模塊 */

??? /* ... */

};

static int __init demo_init_module (void)

{

??? /* ... */

}

static void __exit demo_cleanup_module (void)

{

??? pci_unregister_driver(&demo_pci_driver);

}

/* 加載驅(qū)動程序模塊入口 */

module_init(demo_init_module);

/* 卸載驅(qū)動程序模塊入口 */

module_exit(demo_cleanup_module);

上面這段代碼給出了一個典型的PCI設(shè)備驅(qū)動程序的框架，是一種相對固定的模式。需 要注意的是，同加載和卸載模塊相關(guān)的函數(shù)或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都要在前面加上__init、__exit等標(biāo)志符，以使同普通函數(shù)區(qū)分開來。構(gòu)造出這樣一個框架之后，接下去的工作就是如何完成框架內(nèi)的各個功能模塊了。

Linux驅(qū)動程序框架