Linux核心定制在嵌入式系統中應用的探討

陳剛

【中圖分類號】TP316 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0086-03

隨著硬件的發展，只靠匯編語言已經無法滿足嵌入式系統的開發要求了；同時種類繁多的開發平臺無論是硬件的還是軟件的平臺都讓人難以挑選；但是可以看到的是一些專用的軟件平臺必將被歷史淘汰；硬件上ARM在嵌入式系統一家獨大的局面也必將被打破。INTER也即將發布手機用CPU，AMD已經推出移動和嵌入式設備用的三個系列CPU；所以源代碼開放對各種硬件支持良好的LINUX是嵌入式系統開發的必選軟件平臺；但是由于LINUX是針對臺式機筆記本的，所以在各式驅動和內存等的支持上的過多導致相對嵌入式系統來說過分龐大；所以在嵌入式系統的開發中，我們可以對LINUX內核的驅動模塊和內存管理上進行刪減和定制；（Android系統、虛擬操作系統VMware的最新版本等都是對LINUX內核的驅動和內存管理進行深層次定制修改的LINUX變種）本文主要討論在LINUX內核中定制開發嵌入式系統的驅動。

對linux的devfs類型的驅動程序的編寫可以從以下幾大內容理解和入手：

通過分析驅動程序源代碼可以發現驅動程序一般可分三部分：

核心數據結構；核心數據和資源的初始化，注冊以及注消，釋放；底層設備操作函數；

A.核心數據結構

struct file_operations fops 設備驅動程序接口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）；

}；

block_device_operations 塊設備驅動程序接口{ int （*open） （struct inode *，struct file *）； int （*release） （struct inode *，struct file *）；

int （*ioctl） （struct inode *，struct file *，unsigned，unsigned long）；

int （*check_media_change） （kdev_t）；

int （*revalidate） （kdev_t）；

struct module *owner；

}；塊設備的READ（）.WRITE（）不在這里注冊，而是在設備的讀寫請求隊列里注冊，內核在這里將調用通用的blk_read（），blk_write（）.向讀寫隊列

發出讀寫請求.

Linux 利用這些數據結構向內核注冊open（），release（），ioctl（），check_ media_change（），rvalidate（）等函數的入口句柄.

我們將要編寫的open（），release（），ioctl（），check_media_change（），Revali date（）等函數，將在驅動初始化的時候，

通過一個此結構類型的變量向內核提供函數的 入口.

struct request_queue_t 設備請求隊列的數據結構

struct request_list {

unsigned int count；

unsigned int pending[2]；

struct list_head free；

}；

struct request {

struct list_head queue；

int elevator_sequence；

kdev_t rq_dev；

int cmd； /* READ or WRITE */

int errors；

unsigned long start_time；

unsigned long sector；

unsigned long nr_sectors；

unsigned long hard_sector，hard_nr_sectors；

unsigned int nr_segments；

unsigned int nr_hw_segments；

unsigned long current_nr_sectors，hard_cur_sectors；

void * special；

char * buffer；

struct completion * waiting；

struct buffer_head * bh；

struct buffer_head * bhtail；

request_queue_t *q；

}；

struct request_queue

{

/*

* the queue request freelist，one for reads and one for writes*/

struct request_list rq；

/*

* The total number of requests on each queue

*/

int nr_requests；

/*

* Batching threshold for sleep/wakeup decisions

*/

int batch_requests；

/*

* The total number of 512byte blocks on each queue

*/

atomic_t nr_sectors；

/*

* Batching threshold for sleep/wakeup decisions

*/

int batch_sectors；

/*

* The max number of 512byte blocks on each queue

*/

int max_queue_sectors；

/*

* Together with queue_head for cacheline sharing

*/

struct list_head queue_head；

elevator_t elevator；

request_fn_proc * request_fn；

merge_request_fn * back_merge_fn；

merge_request_fn * front_merge_fn；

merge_requests_fn * merge_requests_fn；

make_request_fn * make_request_fn；

plug_device_fn * plug_device_fn；

/*

* The queue owner gets to use this for whatever they like.

* ll_rw_blk doesnt touch it.

*/

void * queuedata；

/*

* This is used to remove the plug when tq_disk runs.

*/

struct tq_struct plug_tq；

/*

* Boolean that indicates whether this queue is plugged or not.

*/

int plugged：1；

/*

* Boolean that indicates whether current_request is active or

* not.

*/

int head_active：1；

/*

* Boolean that indicates you will use blk_started_sectors

* and blk_finished_sectors in addition to blk_started_io

* and blk_finished_io. It enables the throttling code to

* help keep the sectors in flight to a reasonable value

*/

int can_throttle：1；

unsigned long bounce_pfn；

/*

* Is meant to protect the queue in the future instead of

* io_request_lock

*/

spinlock_t queue_lock；

/*

* Tasks wait here for free read and write requests

*/

wait_queue_head_t wait_for_requests；

struct request *last_request；

}；

緩沖區和對緩沖區相應的I/O操作在此任務隊列中相關聯，等待內核的調度.如果是字符設備就不需要此數據結構.而

塊設備的read（），write（）函數則在buffer_queue的initize和設備請求隊列進行處理請求時候傳遞給request_fn（）.

struct request_queue_t{}設備請求隊列的變量類型，驅動程序在初始化的時候需要填寫request_fn（）.

其他的數據結構還有 I/O port，Irq，DMA 資源分配，符合POSIX標準的ioctl的cmd的構造和定義，以及描述設備自身的

相關數據結構定義-如設備的控制寄存器的相關數據結構定義，BIOS里的參數定義，設備類型定義等.

B.初始化和注冊和注消，模塊方式驅動程序的加載和卸載.

設備驅動程序在定義了數據結構后，首先開始初始化：

如I/O 端口的檢查和登記，內核對 I/O PORT的檢查和登記提供了兩個 函數check_region（int io_port，int off_set）

和request_region（int io_port，int off_set，char *devname）.I/O Port登記后，就可以用inb（）和outb（）進行操作了 .

還有DMA和Irq的初始化檢查和 登記，

int request_irq（unsigned int irq，void（*handle）（int，void *，struct pt_regs*），unsigned int long flags，

const char *device）；

irq： 是要申請的中斷。

handle：中斷處理函數指針。

flags：SA_INTERRUPT 請求一個快速中斷，0 正常中斷。

device：設備名。

如果登記成功，返回0，這時在/proc/interrupts文件中可以看你請求的中斷。

DMA主要是在內存中分配交換內存空間.還有緩沖區，設備請求隊列的初始化.

還有設備控制寄存器的檢查和初始化，還有對設備自身相關的數據結構的初始化，填寫一些設備特定的數據等.

然后，開始注冊

devfs_register（）向VFS注冊統一的設備操作函數.

static struct file_operations XXX_fops = {

owner： THIS_MODULE， XXX_fops所屬的設備模塊

read： XXX_read， 讀設備操作

write： XXX_write， 寫設備操作

ioctl： XXX_ioctl， 控制設備操作

mmap： XXX_mmap， 內存重映射操作

open： XXX_open， 打開設備操作

release： XXX_release 釋放設備操作

/* ... */

}；

blk_init_queue（）隊列初始化函數.

request_irq（）中斷注冊函數

相應的注消函數：

devfs_unregister （devfs_handle_t de）{}；

free_irq（）釋放中斷，I/O資源，釋放緩沖區，釋放設備，請求隊列，VFS節點等.

模塊方式驅動程序的加載和卸載.

static int __init _init_module （void）

{

/* ... */

}

static void __exit _cleanup_module （void）

{

}

/* 加載驅動程序模塊入口 */

module_init（_init_module）；

/* 卸載驅動程序模塊入口 */

module_exit（_cleanup_module）；

_intrrupt（）

設備發生中斷時的處理程序.

{

1.對共享中斷的處理；

2.對spinlock以及其他的事務的處理；

}

C. 底層設備操作函數的編寫

read（）.write（），open（），release（），check_media_change（），revalidate（）等.

open（）和release（）

打開設備是通過調用file_operations結構中的函數open（ ）來完成的，它是驅動程序用來為今后的操作完成初始化準備工作的。在大部分驅動程序中，open（ ）通常需要完成下列工作：

1. 檢查設備相關錯誤，如設備尚未準備好等。

2. 如果是第一次打開，則初始化硬件設備。

3. 識別次設備號，如果有必要則更新讀寫操作的當前位置指針

f_ops。

4. 分配和填寫要放在file->private_data里的數據結構。

5. 使用計數增1。

釋放設備是通過調用file_operations結構中的函數release（ ）來完成的，這個設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：

1. 使用計數減1。

2. 釋放在file->private_data中分配的內存。

3. 如果使用計算為0，則關閉設備。

read（）和 write（）

字符設備的讀寫操作相對比較簡單，直接使用函數read（ ）和write（ ）就可以了。但如果是塊設備的話，則需要調用函數block_read（ ）和block_write（ ）來進行數據讀寫，這兩個函數將向設備請求表中增加讀寫請求，以便Linux內核可以對請求順序進行優化。由于是對內存緩沖區而不是直接對設備進行操作的，因此能很大程度上加快讀寫速度。如果內存緩沖區中沒有所要讀入的數據，或者需要執行寫操作將數據寫入設備，那么就要執行真正的數據傳輸，這是通過調用數據結構blk_dev_struct中的函數request_fn（ ）來完成的。

ioctl（）--將cmd進行解釋，并送到設備的控制寄存器.事實上，read（）和write（）也要通過ioctl（）來完成操作的 .

ioctl（）{

CASE CMD{

SWITCH CASE1：{...}；

SWITCH CASE2：{...}；

SWITCH CASE N：{...}；

.

.

DEFAULT ： {...}；

}

END CASE

總結：

我們可以看出一個linux的驅動程序通常包含如下：

初始化設備模塊、

{I/O port，DMA.Irq，內存 buffer，初始化并且填寫具體設備數據結構，注冊 fops的具體函數等等 }

中斷處理模塊、設備釋放模塊、設備卸載模塊

設備打開模塊、數據讀寫和控制模塊、

驅動裝載模塊、驅動釋放模塊.