嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序研究及應(yīng)用

羅志娟

(長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124)

嵌入式系統(tǒng)是電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)完美結(jié)合的產(chǎn)物。Linux因可應(yīng)用于多種硬件平臺、內(nèi)核高效穩(wěn)定、軟件資源豐富、源代碼開放、網(wǎng)絡(luò)通信和文件管理機(jī)制完善等特點(diǎn)，已成為最具優(yōu)勢的嵌入式操作系統(tǒng)。［1］在嵌入式Linux操作系統(tǒng)中，出于對內(nèi)核的保護(hù)，用戶一般不能直接訪問物理硬件資源，需要調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對外設(shè)的控制。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，重點(diǎn)和難點(diǎn)就在于驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同正是各內(nèi)核版本之間的主要區(qū)別。

1 嵌入式驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序作為機(jī)器硬件和操作系統(tǒng)內(nèi)核之間的接口，屏蔽掉硬件的細(xì)節(jié)，而應(yīng)用程序通過系統(tǒng)調(diào)用與操作系統(tǒng)內(nèi)核連接，將硬件設(shè)備看成是一個(gè)設(shè)備文件，操作硬件設(shè)備時(shí)就像操作普通文件一樣，如圖1所示。

圖1 兩種不同形式的生命教育體系

Linux操作系統(tǒng)下主要有塊設(shè)備和字符設(shè)備兩種設(shè)備文件類型。［2］當(dāng)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O設(shè)備緊接著發(fā)生，如鼠標(biāo)、鍵盤;而塊設(shè)備不同，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作為緩沖區(qū)，只有當(dāng)用戶進(jìn)程能滿足用戶對設(shè)備的請求，才會返回請求的數(shù)據(jù)，否則將調(diào)用請求函數(shù)來進(jìn)行實(shí)際的輸入輸出操作，如硬盤。

Linux操作系統(tǒng)中，所有的設(shè)備文件都有文件屬性、主設(shè)備號和從設(shè)備號。［3］其中文件屬性用來區(qū)分設(shè)備類型(c表示字符設(shè)備，b表示塊設(shè)備);主設(shè)備號用來標(biāo)識驅(qū)動(dòng)程序，從設(shè)備號標(biāo)識同設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序下的不同硬件設(shè)備。值得注意的是，主設(shè)備號必須與登記設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)申請的主設(shè)備號一致，否則用戶進(jìn)程無法訪問驅(qū)動(dòng)程序。用戶進(jìn)程通過設(shè)備文件就可以與實(shí)際的硬件通信了。

進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，只要用到操作系統(tǒng)，編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就必不可少。嵌入式設(shè)備硬件種類異常豐富，雖然Linux內(nèi)核源代碼中已包含了很多的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但仍不可能包括所有設(shè)備驅(qū)動(dòng)，對于所需要的驅(qū)動(dòng)程序，用戶可以在硬件生產(chǎn)廠家或Internet上尋找，若找不到就要根據(jù)相近硬件的驅(qū)動(dòng)程序來改寫或重新編寫。

2 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)框架

2.1 驅(qū)動(dòng)程序的基本工作原理

用戶進(jìn)程要與硬件打交道必須通過設(shè)備文件，而操作設(shè)備文件就是進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations在驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)調(diào)用的關(guān)聯(lián)過程中起著關(guān)鍵作用。［4］不同的內(nèi)核版本，file_operations 結(jié)構(gòu)存在著差異，file_operations的典型結(jié)構(gòu)如下所示:

linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就是通過file_operations結(jié)構(gòu)完成工作的。［5］它中間的每個(gè)成員都與一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用相對應(yīng)。當(dāng)用戶進(jìn)程要操作設(shè)備文件時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用利用其主設(shè)備號找到與之對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)獲得file_operations中相應(yīng)的函數(shù)指針，使該函數(shù)獲得控制權(quán)。［6］因此，驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的主要工作就是根據(jù)設(shè)備的需求，不斷完善file_operations中的各個(gè)子函數(shù)。

2.2 驅(qū)動(dòng)程序?qū)嵗?/h3>

給出一個(gè)簡單的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(test_driver.c)實(shí)例，介紹字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)全過程。該設(shè)備名稱為 test，主設(shè)備號為 240，驅(qū)動(dòng)在Linux2.6內(nèi)核中成功加載，并在長沙佳程科技公司提供的 VCM－L600稅控收款機(jī)(采用三星S3C44B0芯片)上編寫測試程序，調(diào)試成功。

2.2.1 主體程序編寫

主體程序的編寫實(shí)際上就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations中某些子函數(shù)。本例中，當(dāng)調(diào)用read時(shí)，函數(shù)read_test將被調(diào)用，它的作用是把1寫進(jìn)用戶的緩沖區(qū)。其中，buf是用戶進(jìn)程空間的一個(gè)地址，read函數(shù)的一個(gè)參數(shù)，當(dāng)read_test被調(diào)用時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入了核心態(tài)，buf這個(gè)地址是不能直接使用的，要使用kernel提供的函數(shù)__put_user()把數(shù)據(jù)傳送給用戶。而且在向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)之前，還要利用verify_area函數(shù)驗(yàn)證buf是否可用。函數(shù)read_test具體實(shí)現(xiàn)如下:

2.2.2 模塊加載與卸載

驅(qū)動(dòng)程序可以按照動(dòng)態(tài)加載編譯成模塊(modules)或靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核(kernel)兩種方式編譯。靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核時(shí)，內(nèi)核一旦啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)程序即將自動(dòng)加載，這樣不僅會增加內(nèi)核大小，也會使得內(nèi)核的源文件被改動(dòng)，設(shè)備也無法動(dòng)態(tài)卸載，極不利于調(diào)試。故一般最基本的核心代碼編譯進(jìn)內(nèi)核中，而其他的編譯為內(nèi)核的模塊文件。為了方便設(shè)備的卸載，通常采用動(dòng)態(tài)編譯的方式。在動(dòng)態(tài)編譯過程中使用insmod命令將模塊動(dòng)態(tài)加載到正在運(yùn)行的內(nèi)核，不需要時(shí)使用rmmod命卸載模塊。

在動(dòng)態(tài)編譯過程中，若要將模塊調(diào)入內(nèi)存，則需使用insmod命令調(diào)用函數(shù)module_init，向系統(tǒng)的字符設(shè)備表登記一個(gè)字符設(shè)備test。Linux系統(tǒng)中若要在系統(tǒng)中登記字符型設(shè)備，則要調(diào)用內(nèi)核函數(shù)register_chrdev。它含有三個(gè)參數(shù):第一個(gè)設(shè)備號，用戶可以根據(jù)需要指定，本例中指定為240，若為0，系統(tǒng)返回一個(gè)尚未被占用的設(shè)備號，第二個(gè)設(shè)備文件名，第三個(gè)為該驅(qū)動(dòng)入口點(diǎn)的文件操作結(jié)構(gòu)指針。如果登記成功，返回設(shè)備的主設(shè)備號，設(shè)備名將會出現(xiàn)在/proc/devices文件里;否則返回一個(gè)負(fù)值。若要卸載模塊，則要用rmmod命令調(diào)用函數(shù)module_exit，內(nèi)核函數(shù)unregister_chrdev會將字符設(shè)備test在系統(tǒng)字符設(shè)備表中占有的表項(xiàng)釋放。

3 驅(qū)動(dòng)程序的添加與測試

3.1 驅(qū)動(dòng)程序的添加

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫完成后，下一步就要將該驅(qū)動(dòng)程序添加至內(nèi)核中。要將驅(qū)動(dòng)成功添加至內(nèi)核就必須修改Linux的源代碼，然后將內(nèi)核重新編譯。驅(qū)動(dòng)程序嵌入內(nèi)核可分為以下六個(gè)步驟:

1)將驅(qū)動(dòng)源文件(test_driver.c)復(fù)制到linux2.4drivercharvcmdrv目錄下。該目錄保存了Linux下字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。

2)修改上述目錄下的makefile文件，在文件中添加語句:

obj－$(config_vcm600_TEST)+=vcmdrv/test_driver.o

在配置Linux內(nèi)核時(shí)若選擇了支持新定義的設(shè)備，該語句可使得編譯內(nèi)核時(shí)將源文件test_driver.c 編譯成目標(biāo)文件 test_driver.o。

3)修改該目錄下的config.in文件，在comment character devices?語句后添加語句:

bool‘VCM －L600 test driver’CONFI6_VCM600_TEST

4)打開 vendors/Samsung/44B0/下 makefile文件，添加節(jié)點(diǎn):

Test，C，240，0

5)修改vendors/Samsung/44B0/下 rc文件，實(shí)現(xiàn)掛載

6)編譯內(nèi)核，利用make menuconfig將驅(qū)動(dòng)程序的目標(biāo)文件(test_driver.o)生成于內(nèi)核目錄driver/char/vcmdrv下。

至此驅(qū)動(dòng)程序被加載進(jìn)內(nèi)核，若在/romfs/dev目錄中看到@test?.C.240.0，說明該驅(qū)動(dòng)已成功加載。

3.2 測試

為進(jìn)一步驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)程序成功加載進(jìn)內(nèi)核，可編寫一應(yīng)用程序調(diào)用該驅(qū)動(dòng)。應(yīng)用程序(test_apply.c)如下，該程序打開設(shè)備test，即調(diào)入test的驅(qū)動(dòng)程序，通過驅(qū)動(dòng)程序中定義的read函數(shù)讀取10個(gè)1存入buf中，最后在終端打印buf中的數(shù)據(jù)。

#include ＜stdio.h＞ //stdio.h標(biāo)準(zhǔn)I/O 庫，提供了帶緩沖的文件操作功能

#include ＜sys/types.h＞//types.h中定義基本系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型

#include ＜sys/stat.h＞ //stat.h 提供文件狀態(tài)

#include ＜fcntl.h ＞ //fcntl.h定義了一組基于C的非緩沖的文件操作函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對文件的控制

應(yīng)用程序編寫好后，需將源文件編譯為目標(biāo)文件，通常有兩種方法:①利用編譯命令arm－elfgcc －elf2flt －o test_driver test_driver.c，將源程序編譯為目標(biāo)文件;②寫好makefile文件放在與驅(qū)動(dòng)程序相同目錄下，在命令行輸入make命令編譯。這里采用第二種方法，makefile文件如下:

執(zhí)行make命令調(diào)用makefile文件，生成應(yīng)用程序test_apply.c的目標(biāo)文件 test_apply.o。Makefile文件中，將應(yīng)用程序的目標(biāo)文件放在了nfs中，便于實(shí)現(xiàn)掛載。

重新編譯內(nèi)核后，將加載了新驅(qū)動(dòng)的內(nèi)核打包并利用tftp命令下載至目標(biāo)機(jī)中，即可進(jìn)入minicom終端，運(yùn)行程序，查看結(jié)果。

4 結(jié)論

通過介紹嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作原理，以字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閷?shí)例，簡述了字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)的基本流程。雖然驅(qū)動(dòng)程序的種類隨著設(shè)備的增加而日益繁多，而且某些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)還需要中斷服務(wù)，但驅(qū)動(dòng)程序和內(nèi)核之間有嚴(yán)格定義、管理的接口，所以其基本的結(jié)構(gòu)和開發(fā)過程都是建立在規(guī)范的基礎(chǔ)上的，各種驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)和開發(fā)過程是一致的，熟悉了驅(qū)動(dòng)開發(fā)的基本流程后，就可進(jìn)行各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)了。

［1］李俊.嵌入式 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開發(fā)詳解［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

［2］張威，黃沖.嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法研究［J］.江西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，(7).

［3］戴明華，李長云，等.嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序框架研究綜述［J］.長沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，(3).

［4］曹穎鵬.基于嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序的研究與設(shè)計(jì)［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2010.

［5］如何編寫 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序［EB/OL］.http://bbs.chinaunix.net/thread－2047152－1 －1.html

［6］王驍俊.RMLinux在嵌入式設(shè)備上的移植及驅(qū)動(dòng)開發(fā)［D］上海:上海交通大學(xué)，2008.