基于ARM的字符驱动程序
基于Linux 的字符设备驱动设计与实现
信息工程学院计算机15-3班刘云飞5011211304
摘要:在基于Linux 的嵌入式工业控制系统的开发过程中, 针对最常见的字符设备, 探索了一种设备驱动程序设计的一般方法。该方法为这一类设备驱动实现提供了整体框架, 降低了驱动设计难度。实时时钟模块是典型的字符设备也是工业控制系统中的重要组成部分。作者以基于I2C 总线的实时时钟在ARM9 平台的驱动实现为例, 详细介绍了这一方法在嵌入式系统开发中的具体应用。
关键词: Linux; 驱动程序; 实时时钟; 嵌入式系统
在工业过程自动化领域, 嵌入式技术在稳定性, 可扩展性,成本, 功耗等许多方面已逐步展现出其与传统控制手段相比的独特优势。对于嵌入式工业控制系统, 尽管被控对象和应用场的差异使得外围设备及其接口形式相对丰富复杂, 但总可以将它们归结到Linux 系统的三设备: 字符设备、块设备、网络设备中来, 而字符设备是其中最常见的形式。笔者在实际的开发过程中探索和总结了一种针对嵌入式Linux 字符设备驱动设计实现的一般办法。并通过讨论RISC 目标系统中典型外围设备- 基于I2C 总线技术的实时时钟设计与实现, 阐述了这一方法在实际开发中的具体应用。
1 Linux 设备驱动程序实现关键技术的归纳与总结
Linux 设备驱动程序是为特定的硬件提供给用户程序的一组标准化接口, 它隐藏了设备工作的细节。虽然外部设备差异很大, 但设备的驱动程序遵循一定的通用方法。
1) 基于文件的设备管理方式。
在Linux 系统里, 任何设备都以设备文件的形式来表示, 也就是说, 通过对设备文件的操作来实现对硬件设备的操作。
2) 主设备号与次设备号。
Linux 系统为每一个设备分配了一个主设备号和次设备号, 主设备号标识设备对应的驱动程序, 次设备号标识具体设备的实例。每一类设备使用的主设备号是独一无二的, 系统增加一个驱动程序就要赋予它一个主设备号。这一赋值过程在驱动程序的初始化时进行。
3) Linux 设备的操作。
系统访问设备就像访问文件一样, 例如打开设备使用系统调用open( ), 关闭设备使用系统调用close( )。在Linux内核中, 字符设备使用struct file_operations 结构来定义设备的各种操作集合。编写字符设备驱动程序, 主要是实现structfile_operations 结构中的各个函数。对于结构中没有实现的操作函数, 函数指针变量设置为NULL。sruct_file_operations 结构在/include/linux/fs.h 文件中定义。
4) Linux 设备的注册和卸载。
设备驱动程序所提供的入口点, 在设备驱动程序初始化的时候向系统进行注册, 以便系统在适当的时候调用。在Linux 系统中, 通过调用devfs_register 向系统注册字符型设备驱动程序。devfs_register()的定义为:
#define linux/devfs_fs_kernel.h
devfs_handle_t devfs_register (devfs_handle_t dir,const char*name,unsigned int flags,unsigned int major,unsigned int minor,u-mode_t mode,void *ops,void *info);
其中, dir 为新创建的设备文件的父目录; Name 为设备的名称; Flags 为devfs 标志的
位掩码; Major 为设备的主设备号;Minor 为设备的次设备号; Mode 为新设备的访问模式; Ops 表示指向设备文件操作数据结构的指针; Info 表示系统设备打开时,文件系统将把flip- >private_data 的指针初始化为该值。类似的, 字符设备的卸载函数定义为:devfs_unregister (devfs_handle_t dev)。接下来, 利用上文提出的方法, 在Linux 2.4 内核下具体设计实现实时时钟的驱动程序。
2 实时时钟驱动程序设计
在这一部分, 我们首先说明目标系统的硬件平台及实时时钟驱动程序实现的整体框架, 接着针对实时时钟设备具体操作讨论用户利用驱动程序实现设备管理的过程及软件流程, 最后强调驱动程序设计过程中的一些注意事项。
2.1. 目标平台简介
目标系统的核心采用Cirrus Logic 公司32 位微处理器EP9315。该芯片内嵌先进的运行于200MHZ 的ARM920T 核, 具有非常丰富的片上资源。实时时钟芯片为飞利浦公司的PCF8563, 该芯片功耗很低, 具有一个可编程时钟输出, 一个中断输出和掉电检测器, 最大总线速度为400Kbits/s。以PCF8563 为实时时钟源, 并外备锂纽扣电池, 为控制系统提供可靠的日历。EP9315 与PCF8563 通过I2C 总线进行数据通信, 以完成
系统时间的设定和日历信息的获取。如图一所示为两者之间的接口实现示意。EP9315 内部集成了I2C 总线控制器, 通过GPIO复用实现(EEDAT, EECLK 分别对应GPIOG1, GPIOG0) ;PCF8563 具有中断控制功能,将INT 与EPIO13 相连(EGPIO 是EP9315 具有中断功能的通用IO)。硬件连接简单可靠。图一实时时钟接口示意
2.2. 实时时钟驱动程序的整体框架
1) 必要的声明与宏定义
#include "linux/module.h" /* 以模块的方式实现驱动程序*/
#include "linux/devfs_fs_kernel.h"
#include "iic.c" /* 给出了对于PCF8563 具体操作的实现
#define RTCIIC_MAJOR 16 /* 定义设备的主设备号*/
#define outl(v,p) outl_t(v,p) /* 端口操作的地址映射*/
#define outl_t(v,p)(*(volatile unsigned long *)(p) = (v))
2) 实时时钟设备注册及初始化
static int __init rtciic_init_module(void)
{
/* 注册设备rtciic 指向对设备文件操作的数据结构*/
dev_handle1 =devfs_register (NULL,"rtciic",DEVFS_FL_DE-FAULT,RTCIIC_MAJOR,0, S_IFCHR, &rtciic_fops, NULL);
outl(0x03,GPIO_EEDRIVE); outl(0x03,GPIO_PGDDR); /* 初始化I2C 控制器*/
P8563_init(); /* 初始化外围实时时钟芯片*/
}
3) 实时时钟设备注销
static void __exit rtcclriic_module(void)
{
devfs_unregister (dev_handle1);
}
2.3. 实时时钟具体操作设计与实现
在设备注册过程中, 我们构建了rtciic_fops 结构指针。在File_operations 结构中定义一组函数指针。
struct file_operations rtciic_fops={
read : read_rtciic,
write: writer_rtciic,
ioctl: ioctl_rtciic,
open : open_rtciic,
release: release_rtciic,
}
系统就是通过这一组函数指针来实现I2C 实时时钟设备的操作。具体的说, 这主要有两方面工作: 对实时时钟进行时间的设定包括年、月、日、星期、时、分、秒; 从实时时钟获得系统需要的日历信息。分别对应于writer_rtciic 和read_rtciic 这两个函数。图二write_rtciic()系统调用如图二所示
用户空间的应用程序通过调用writer_rtciic接口, 将存储在buf 所指向的用户缓冲区大小为count 长度的数据传递到内核缓冲区, 实现了用户空间到内核空间的数据交换; 驱动程序通过图三所示
软件流程将内核缓冲区中用户设定信息通过I2C 总线技术传递到PCF8653 的寄存器中, 从而完成了用户对实时时钟的写操作。实时时钟设备的读操作其实现过程与写操作是基本一致的。
2.4. 驱动程序实现中的注意事项
1) 该驱动程序是在Linux- 2.4.20 系统下调试通过的。对于不同的内核版本在设备注册和文件操作方法上可能存在差异。
2) 为便于调试和测试, 本驱动程序采用模块方式实现。
3) 构建系统I2C 总线时, EP9315 为主机, PCF8563 为从机。SDA 为双向; SCL 为单向, 相对于实时时钟芯片固定为输入。
4) 针对I2C 总线本身的特点, 在整个设备操作过程中, 严格匹配开始, 结束, 应答等信号的时序是驱动程序正确实现的关键点之一。
5)PCF8563 作为I2C 从设备对于读写两个操作时的地址是不一样的, 读: 0A3H; 写: 0A2, 同时每次进行读写操作时内嵌的字寄存器会自动累加。图三写操作程序流程图
2.5. 驱动程序的验证结果
驱动程序的验证, 是通过用户空间的应用程序来实现的。这是一个相对简单的过程, 主要包括如下步骤:以可读写的方式打开设备文件, 并获得设备文件的文件描述符;fd=open("/dev/rtciic", O_RDWR)设定rtc 的初值, 注意这些值必须以BCD 码的格式给出;char timeset[]={0x00,0x00,0x06,0x26,0x5,0x11,0x06};write(fd,timeset,sizeof(timeset))从RTC 上读出系统时间到缓冲区;char rbuf[7];read(fd,rbuf,7);经交叉编译器编译, 通过tftp 方式下载到目标系统中;在目标系统的shell 中执行, 结果如图四所示。
3 结论
该实时时钟实现方法已应用于某高压气体压力与流量控制的嵌入式系统中, 实时时钟不仅能够在系统断电情况下长时间的保持设备日历并为嵌入式软件提供状态信息, 同时也为设备的安全稳定运转及故障诊断等提供参考依据。实时时钟设备的设计与实现, 详细的说明了这一方法的具体应用过程。将该方法运用于高压气体压力与流量控制系统其他字符设备驱动开发中, 起到良好的指导作用。创新点: 归纳总结了一种针对字符设备在Linux 平台下驱动实现的一般方法; 基于ARM- LINUX 在ARM9 平台下进行了I2C 总线的实时时钟驱动设计与测试; 用于本文提出的方法, 指导某嵌入式工业控制系统的其它字符设备的驱动开发, 取得了良好的效果。
参考文献
[1]胡诚皓; 刘昆; 邵定宏; ERP 中成本计算的重组和实现程.
[2]Corbet J , Ruibini A. Linux 设备驱动程序.第二版.北京:中国电力出版社,2004
[3]Love R.Linux 内核设计与实现.第二版.北京:中国机械工业出版社,2006
[4] 李驹光，郑耿，江泽明. 嵌入式Linux 系统开发详解- 基于EP93XX系列ARM.北京：清华大学出版社,2006
[5]王太勇，王涛，杨杰等.基于嵌入式技术的数控系统开发设计.天津大学学报.2006
[6]陈志辉.I2C 总线在MCS51 系列单片机数据采集中的实现.微计算机信息，2005
字符设备驱动程序课程设计报告
中南大学 字符设备驱动程序 课程设计报告 姓名：王学彬 专业班级：信安1002班 学号：0909103108 课程：操作系统安全课程设计 指导老师：张士庚 一、课程设计目的 1.了解Linux字符设备驱动程序的结构； 2.掌握Linux字符设备驱动程序常用结构体和操作函数的使用方法； 3.初步掌握Linux字符设备驱动程序的编写方法及过程； 4.掌握Linux字符设备驱动程序的加载方法及测试方法。 二、课程设计内容 5.设计Windows XP或者Linux操作系统下的设备驱动程序; 6.掌握虚拟字符设备的设计方法和测试方法；
7.编写测试应用程序，测试对该设备的读写等操作。 三、需求分析 3.1驱动程序介绍 驱动程序负责将应用程序如读、写等操作正确无误的传递给相关的硬件，并使硬件能够做出正确反应的代码。驱动程序像一个黑盒子，它隐藏了硬件的工作细节，应用程序只需要通过一组标准化的接口实现对硬件的操作。 3.2 Linux设备驱动程序分类 Linux设备驱动程序在Linux的内核源代码中占有很大的比例，源代码的长度日益增加，主要是驱动程序的增加。虽然Linux内核的不断升级，但驱动程序的结构还是相对稳定。 Linux系统的设备分为字符设备(char device)，块设备(block device)和网络设备(network device)三种。字符设备是指在存取时没有缓存的设备，而块设备的读写都有缓存来支持，并且块设备必须能够随机存取(random access)。典型的字符设备包括鼠标，键盘，串行口等。块设备主要包括硬盘软盘设备，CD-ROM等。 网络设备在Linux里做专门的处理。Linux的网络系统主要是基于BSD unix的socket 机制。在系统和驱动程序之间定义有专门的数据结构(sk_buff)进行数据传递。系统有支持对发送数据和接收数据的缓存，提供流量控制机制，提供对多协议的支持。 3.3驱动程序的结构 驱动程序的结构如图3.1所示，应用程序经过系统调用，进入核心层，内核要控制硬件需要通过驱动程序实现，驱动程序相当于内核与硬件之间的“系统调用”。
嵌入式点亮一个LED灯的程序
飞凌OK6410开发板（裸板）第一个点亮LED灯程序，主要的C程序，完整程序请下载附件。 #define rGPMCON (*(volatile unsigned *)(0x7F008820)) #define rGPMDAT (*(volatile unsigned *)(0x7F008824)) #define rGPMPUD (*(volatile unsigned *)(0x7F008828)) void msDelay(int time) { volatile unsigned int i,j; for(i = 0; i < 2000000; i++) for(j=0; j 1.设计要求 EM-STM3210E开发板上有一个LED灯D1，编写程序点亮该灯。 2.硬件电路连接 在开发板上，D1与STM32F103ZE芯片上的引脚PF6相连，如下图所示。 3.软件程序设计 根据任务要求，程序内容主要包括： 1、配置Reset and clock control (RCC)以使能GPIOF端口模块的时钟 2、配置GPIOF端口的PF6引脚（50MHz,推挽输出） 3、调用STM32标准固件库函数GPIO_WriteBit以令PF6引脚输出高电平，从而点亮LED灯D1。 整个工程用户只需要实现源代码文件：main.c，其他工程文件由MDK和STM32标准固件库提供。 main.c文件的内容如下： [cpp] /** ********************************************************** ******************** * @file main.c * @author Max Liao * @version * @date 02-Novenber-2012 * @brief Main program body ********************************************************** ******************** */ /* Includes ------------------------------------------------------------------*/ #include "stm32f10x.h" /* Private typedef -----------------------------------------------------------*/ /* Private define ------------------------------------------------------------*/ /* Private macro -------------------------------------------------------------*/ Linux字符设备驱动（转载） 来源: ChinaUnix博客日期：2008.01.01 18:52(共有0条评论) 我要评论 Linux字符设备驱动（转载） 这篇文章描述了在Linux 2.4下，如何建立一个虚拟的设备，对初学者来说很有帮助。原文地址：https://www.wendangku.net/doc/8a18637353.html,/186/2623186.shtml Linux下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合，通过这些函数使得Windows的设备操作犹如文件一般。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，如open ()、close ()、read ()、write () 等。 Linux主要将设备分为二类：字符设备和块设备。字符设备是指设备发送和接收数据以字符的形式进行；而块设备则以整个数据缓冲区的形式进行。字符设备的驱动相对比较简单。 下面我们来假设一个非常简单的虚拟字符设备：这个设备中只有一个4个字节的全局变量int global_var，而这个设备的名字叫做"gobalvar"。对"gobalvar"设备的读写等操作即是对其中全局变量global_var的操作。 驱动程序是内核的一部分，因此我们需要给其添加模块初始化函数，该函数用来完成对所控设备的初始化工作，并调用register_chrdev() 函数注册字符设备： static int __init gobalvar_init(void) { if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " gobalvar ", &gobalvar_fops)) { //…注册失败 } else 字符设备驱动实验 实验步骤： 1、将设备驱动程序使用马克file文件编译 生成模块firstdev.ko 2、将模块加载到系统中insmod firstdev.ko 3、手动创建设备节点 mknod /dev/first c 122 0 4、使用gcc语句编译firsttest.c生成可执行 文件 5、运行可执行文件firsttest，返回驱动程序 中的打印输出语句。 查看设备号：cat /proc/devices 卸载驱动：rmmod firstdev 删除设备节点：rm /dev/first 显示printk语句，（打开一个新的终端）while true do sudo dmesg -c sleep 1 done 源码分析 设备驱动程序firstdev.c #include static struct file_operations first_dev_fops ={ .owner = THIS_MODULE, .open = first_dev_open, }; static int __init first_dev_init(void) { int ret; ret = register_chrdev(122,"/dev/first",&first_dev_fo ps); printk("Hello Modules\n"); if(ret<0) { printk("can't register major number\n"); return ret; } 如何编写Linux设备驱动程序 Linux是Unix操作系统的一种变种，在Linux下编写驱动程序的原理和思想完全类似于其他的Unix系统，但它dos或window环境下的驱动程序有很大的区别。在Linux环境下设计驱动程序，思想简洁，操作方便，功能也很强大，但是支持函数少，只能依赖kernel中的函数，有些常用的操作要自己来编写，而且调试也不方便。本文是在编写一块多媒体卡编制的驱动程序后的总结，获得了一些经验，愿与Linux fans共享，有不当之处，请予指正。 以下的一些文字主要来源于khg，johnsonm的Write linux device driver，Brennan's Guide to Inline Assembly，The Linux A-Z，还有清华BBS上的有关device driver的一些资料. 这些资料有的已经过时，有的还有一些错误，我依据自己的试验结果进行了修正. 一、Linux device driver 的概念 系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，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。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能： 1）对设备初始化和释放； 2）把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据； 3）读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据； 4）检测和处理设备出现的错误。 在Linux操作系统下有两类主要的设备文件类型，一种是字符设备，另一种是块设备。字符设备和块设备的主要区别是：在对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O一般就紧接着发生了，块设备则不然，它利用一块系统内存作缓冲区，当用户进程对设备请求能满足用户的要求，就返回请求的数据，如果不能，就调用请求函数来进行实际的I/O操作。块设备是主要针对磁盘等慢速设备设计的，以免耗费过多的CPU时间来等待. 已经提到，用户进程是通过设备文件来与实际的硬件打交道。每个设备文件都都有其文件属性(c/b)，表示是字符设备还是块设备。另外每个文件都有两个设备号，第一个是主设备号，标识驱动程序，第二个是从设备号，标识使用同一个设备驱动程序的不同的硬件设备，比如有两个软盘，就可以用从设备号来区分他们。设备文件的主设备号必须与设备驱动程序在登记时申请的主设备号一致，否则用户进程将无法访问到驱动程序. 最后必须提到的是，在用户进程调用驱动程序时，系统进入核心态，这时不再是抢先式调度。也就是说，系统必须在你的驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作。如果你的驱动程序陷入死循环，不幸的是你只有重新启动机器了，然后就是漫长的fsck。 二、实例剖析 我们来写一个最简单的字符设备驱动程序。虽然它什么也不做，但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理.把下面的C代码输入机器，你就会获得一个真正的设备 实现如下的功能: --字符设备驱动程序的结构及驱动程序需要实现的系统调用 --可以使用cat命令或者自编的readtest命令读出"设备"里的内容 --以8139网卡为例,演示了I/O端口和I/O内存的使用 本文中的大部分内容在Linux Device Driver这本书中都可以找到, 这本书是Linux驱动开发者的唯一圣经。 ================================================== ===== 先来看看整个驱动程序的入口,是char8139_init(这个函数 如果不指定MODULE_LICENSE("GPL", 在模块插入内核的 时候会出错,因为将非"GPL"的模块插入内核就沾污了内核的 "GPL"属性。 module_init(char8139_init; module_exit(char8139_exit; MODULE_LICENSE("GPL"; MODULE_AUTHOR("ypixunil"; MODULE_DESCRIPTION("Wierd char device driver for Realtek 8139 NIC"; 接着往下看char8139_init( static int __init char8139_init(void { int result; PDBG("hello. init.\n"; /* register our char device */ result=register_chrdev(char8139_major, "char8139", &char8139_fops; if(result<0 { PDBG("Cannot allocate major device number!\n"; return result; } /* register_chrdev( will assign a major device number and return if it called * with "major" parameter set to 0 */ if(char8139_major == 0 char8139_major=result; /* allocate some kernel memory we need */ buffer=(unsigned char*(kmalloc(CHAR8139_BUFFER_SIZE, GFP_KERNEL; if(!buffer { PDBG("Cannot allocate memory!\n"; result= -ENOMEM; 字符设备驱动程序 字符设备驱动程序与块设备不同。所涉及的键盘驱动、控制台显示驱动和串口驱动以及与这些驱动有关的接口、算法程序都紧密相关。他们共同协作实现控制台终端和串口终端功能。 下图反映了控制台键盘中断处理过程。 以上为总的处理流程，下面对每一个驱动分开分析。首先是键盘驱动。键盘驱动用汇编写的，比较难理解，牵涉内容较多，有键盘控制器804X的编程，还有扫描码（共3套，这里用第二套）和控制命令及控制序列（p209~210有讲解）。由于键盘从XT发展到AT到现在PS/2，USB，无线键盘，发展较快，驱动各有不同，此版本驱动为兼容XT，将扫描码映射为XT再处理，因此仅供参考。CNIX操作系统的键盘驱动实现为C语言，可读性更好。 键盘驱动 键盘驱动就是上图键盘硬件中断的过程。keyboard.S中的_keyboard_interrupt 函数为中断主流程，文件中其他函数均被其调用。 以上打星处为键盘驱动的核心，即主要处理过程，针对不同扫描码分别处理，并最终将转换后所得ASCII 码或控制序列放入控制台tty 结构的读缓冲队列read_q 中。 键处理程序跳转表为key_table ，根据扫描码调用不同处理程序，对于“普通键”，即只有一个字符返回且没有含义变化的键，调用do_self 函数。其他均为“特殊键”：1. crtrl 键的按下和释放 2. alt 键的按下和释放 3. shift 键的按下和释放 4. caps lock 键的按下和释放（释放直接返回，不作任何处理） 5. scroll lock 键的按下 6. num lock 的按下 7. 数字键盘的处理（包括alt-ctrl+delete 的处理，因为老式键盘delete 键在数字小键盘上。还包括对光标移动键的分别处理） 8. 功能键 （F1~F12）的处理 9. 减号的处理（老键盘’/’与’-’以0xe0加以区分，可能其中一键要按shift ） do_self 是最常用的流程，即跳转表中使用频率最高的流程： 一、课程设计目的 Linux 系统的开源性使其在嵌入式系统的开发中得到了越来越广泛的应用，但其本身并没有对种类繁多的硬件设备都提供现成的驱动程序，特别是由于工程应用中的灵活性，其驱动程序更是难以统一，这时就需开发一套适合于自己产品的设备驱动。对用户而言，设备驱动程序隐藏了设备的具体细节，对各种不同设备提供了一致的接口，一般来说是把设备映射为一个特殊的设备文件，用户程序可以像对其它文件一样对此设备文件进行操作。 通过这次课程设计可以了解linux的模块机制，懂得如何加载模块和卸载模块，进一步熟悉模块的相关操作。加深对驱动程序定义和设计的了解，了解linux驱动的编写过程，提高自己的动手能力。 二、课程设计内容与要求 字符设备驱动程序 1、设计目的：掌握设备驱动程序的编写、编译和装载、卸载方法，了解设备文件的创建，并知道如何编写测试程序测试自己的驱动程序是否能够正常工作 2、设计要求： 1) 编写一个简单的字符设备驱动程序，该字符设备包括打开、读、写、I\O控制与释放五个基本操作。 2) 编写一个测试程序，测试字符设备驱动程序的正确性。 3) 要求在实验报告中列出Linux内核的版本与内核模块加载过程。 三、系统分析与设计 1、系统分析 系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，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。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能: 1、对设备初始化和释放； 2、把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据； 3、读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据； 4、检测和处理设备出现的错误。 字符设备提供给应用程序的是一个流控制接口，主要包括op e n、clo s e（或r ele as e）、r e ad、w r i t e、i o c t l、p o l l和m m a p等。在系统中添加一个字符设备驱动程序，实际上就是给上述操作添加对应的代码。对于字符设备和块设备，L i n u x内核对这些操作进行了统一的抽象，把它们定义在结构体fi le_operations中。 2、系统设计： 2.1、模块设计： Linux 字符设备基础 字符设备驱动程序在系统中的位置 操作系统内核需要访问两类主要设备，简单的字符设备，如打印机，键盘等；块设备，如软盘、硬盘等。与此对应，有两类设备驱动程序。分别称为字符设备驱动程序和块设备驱动程序。两者的主要差异是：与字符设备有关的系统调用几乎直接和驱动程序的内部功能结合在一起。而读写块设备则主要和快速缓冲存储区打交道。只有需要完成实际的输入／输出时，才用到块设备驱动程序。见下图： Linux 设备驱动程序的主要功能有： ● 对设备进行初始化； ● 使设备投入运行和退出服务； ● 从设备接收数据并将它们送到内核； ● 将数据从内核送到设备； ● 检测和处理设备出现的错误。 当引导系统时，内核调用每一个驱动程序的初始化函数。它的任务之一是将这一设备驱动程序使用的主设备号通知内核。同时，初始化函数还将驱动程序中的函数地址结构的指针送给内核。 内核中有两X 表。一X 表用于字符设备驱动程序，另一X 用于块设备驱动程序。这两X 表用来保存指向file_operations 结构的指针， 设备驱动程序内部的函数地址就保 存在这一结构中。内核用主设备号作为索引访问file_operations结构，因而能访问驱动程序内的子程序。 从开机到驱动程序的载入 系统启动过程中可能出现几种不同的方式检测设备硬件。首先机器硬件启动时BIOS会检测一部分必要的设备，如内存、显示器、键盘和硬盘等等。机器会把检测到的信息存放在特定的位置，如CMOS数据区。而另外某些设备会由设备驱动程序进行检测。 1 开机 2 引导部分（linux/config.h，arch/i386/boot/bootsect.S） 3 实模式下的系统初始化（arch/i386/boot/setup.S） 4 保护模式下的核心初始化 5 启动核心（init/main.c） init函数中函数调用关系如下： main.c init() filesystems.c sys_setup() genhd.c device_setup() mem.c chr_dev_init() 至此，驱动程序驻入内存。 设备驱动程序基本数据结构： struct device_struct 系统启动过程中要登记的块设备和字符设备管理表的定义在文件fs/devices.c中：struct device_struct { const char * name; struct file_operations * fops; }; static struct device_struct chrdevs[MAX_CHRDEV]; static struct device_struct blkdevs[MAX_BLKDEV]; 其实块设备表和字符设备表使用了相同的数据结构。在某些系统中，这些设备表也称作设备开关表，不同的是它们直接定义了一组函数指针进行对设备的管理。而这里系统用文件操作（file_operations）代替了那组开关。文件操作是文件系统与设备驱动程序之间的接口，系统特殊文件在建立的时候并没有把两者对应起来，只是把设备的缺省文件结构和i节点结构赋给设备文件，而真正的对应定义在系统启动之后，当设备被打开时时才进行的。 操作blkdev_open和chrdev_open定义在文件devices.c中，它们的基本功能是当设备文件初次打开时，根据该文件的i节点信息找到设备真正的文件操作接口，然后更新原来的设 Linux中设备分类： 按照对设备的访问方式可分为以下三类： 1.字符设备(char device) (1)例如：键盘、鼠标、串口、帧缓存等； (2)通过/dev/下的设备节点访问；以字节为单位访问； (3)一般只支持顺序访问；(特例：帧缓存framebuffer) (4)无缓冲。 2.块设备(block device) (1)例如：磁盘、光驱、flash等； (2)以固定大小为单位访问：磁盘以扇区(512B)为单位；flash以页为单位。 (3)支持随机访问； (4)有缓冲(减少磁盘IO，提高效率)。 3.网络设备(network device) (1)无设备文件(节点)； (2)应用层通过socket接口访问网络设备(报文发送和接收的媒介)。 设备驱动在内核中的结构： 1.VFS虚拟文件系统作用：向应用层提供一致的文件访问接口，正是由于VFS 的存在，才可以将设备以文件的方式访问。 2.虚拟文件系统，存在于内存中，不在磁盘上，掉电丢失。例如：/proc、/sys、 /tmp。 设备号： 1.作用：唯一地标识一个设备； 2.类型：dev_t devno;即32位无符号整型； 3.组成： (1)主设备号：用于区分不同类型(按功能划分)的设备； (2)此设备号：用于区分相同类型的不同设备。 注意：相同类型的设备(主设备号相同)可以使用同一个驱动。 4.构建设备号： int major = 250; int minor = 0; (1)dev_t devno = (major << 20) | minor;不建议使用； (2)利用宏来构建：dev_t devno = MKDEV (major, minor); 注意：我们可以通过文件$(srctree)/documentation/device.txt来查看内核对设备号的分配情况。 (1)该文本中的有对应设备文件的设备号是已经被申请过的，我们不可以重 复使用(申请)； (2)从中可以看出，我们在编写驱动程序时可以使用的主设备号范围为 240~254，为了方便记忆，通常使用250作为主设备号。 字符设备驱动框架： 驱动：作用，为应用层提供访问设备的接口(对设备发的各种操作)。 一、申请设备号 1.构建设备号：dev_t devno = MKDEV (major, minor); 2.申请设备号： (1)动态申请：alloc_chrdev_region； (2)静态申请： register_chrdev_region。 LED驱动程序设计 分类：ARM系统进阶班(arm裸机程序)2012-08-24 13:23 1561人阅读评论(0) 收藏举报 首先声明，此文章是基于对国嵌视频教程中tiny6410有关视频教程的总结，为方便大家的复习。再次予以感谢，感谢国嵌各位老师为我们提供如此好的视频教程，为对于想要迈入嵌入式大门却迟迟找不到合适方法的学子们指引一条光明的方向。好了，接下来步入正题，此处将介绍tiny6410 LED驱动程序的设计。 2 下面来看看tiny6410关于LED 的原理图如图（1）所示： 图1 LED原理图 3 LED实例，代码如下所示:(代码摘自\光盘4\实验代码\3-3-1\src\main.c) main.c [cpp]view plaincopy 1./********************************************************** 2.*实验要求：用Tiny6410上的4个LED资源实现跑马灯程序。 3.*功能描述： Tiny6410用下面4个引脚连接了LED发光二极管，分别是 4.* GPK4--LED1 5.* GPK5--LED2 6.* GPK6--LED3 7.* GPK7--LED4 8.* 本程序将控制这四个管脚的输出电平，实现跑马灯的效果 9.*日期： 2011-3-10 10.*作者：国嵌 11.**********************************************************/ 12.#include "def.h" 13.#include "gpio.h" 14. 15.#define LED1_ON ~(1<<4) 16.#define LED2_ON ~(1<<5) 17.#define LED3_ON ~(1<<6) 18.#define LED4_ON ~(1<<7) 19. 20.#define LED1_OFF (1<<4) 【设计题目】 矩阵LED字符显示控制系统设计 【设计目的】 1．掌握无操作系统下的硬件软件设计原理和方法； 2．进一步熟悉ARM 处理器的基本结构、指令集、存储系统以及基本接口编程； 3．熟悉嵌入式系统各部件的硬件初始化过程以及基本IO控制方法。 4．掌握矩阵LED 的应用原理 【设计内容】 1．利用sys_init初始化程序，利用串口实现PC和开发板的数据通信； 2．编写S3C2410X 处理器的点阵屏驱动程序； 3．编写S3C2410X 处理器的点阵屏应用程序。 4. 当程序运行等待要求从串口输入学生姓名的字符串在矩阵LED上显示出来。【实验环境】 硬件：Embest EduKit-IV 平台，ULINK2 仿真器套件，PC 机； 软件：μVision IDE for ARM 集成开发环境，Windows XP。 【相关知识综述】 背景知识、原理算法等 一、硬件部分 1．点阵屏的结构电路 图1点阵屏的结构电路 图上QL1-QL16为行驱动信号，每个信号控制一行， LR1～LR16 是点阵屏的列驱动信号，每一个信号控制一列。当行信号为高电平而列信号为低电平，对应的LED 就会亮。 2，S3C2410与点阵屏的连接 LL1 LL8 LL7 LL9 图2 S3C2410ARM处理器与两片CD4094连接得到16位行选信号图以上电路可以通过S3C2410GPIO口把CPU的并行数据（16位两个字节的数据）打入到两个CD4094芯片中并锁存起来变成LL1-LL16的行选信号。 各信号的作用如下表1； 3．点阵屏的保护电路 图3 点阵屏的保护电路图 为了保护LED 屏加了对应的电阻实现行限流作用，即LL1-LL16变为RQ1-RQ16 4．LED 的驱动 加入行驱动电路的目的是实现LED 灯的驱动。这样由RQ1-RQ16变为行驱动信号QL1-QL16。Q11-QL16为图1中的行驱动信号。 ---简介 Linux下的MISC简单字符设备驱动虽然使用简单，但却不灵活。 只能建立主设备号为10的设备文件。字符设备比较容易理解，同时也能够满足大多数简 单的硬件设备,字符设备通过文件系统中的名字来读取。这些名字就是文件系统中的特 殊文件或者称为设备文件、文件系统的简单结点，一般位于/dev/目录下使用ls进行查 看会显示以C开头证明这是字符设备文件crw--w---- 1 root tty 4, 0 4月 14 11:05 tty0。 第一个数字是主设备号，第二个数字是次设备号。 ---分配和释放设备编号 1)在建立字符设备驱动时首先要获取设备号，为此目的的必要的函数是 register_chrdev_region,在linux/fs.h中声明：int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);first是你想 要分配的起始设备编号，first的次编号通常是0，count是你请求的连续设备编号的 总数。count如果太大会溢出到下一个主设备号中。name是设备的名字，他会出现在 /proc/devices 和sysfs中。操作成功返回0，如果失败会返回一个负的错误码。 2)如果明确知道设备号可用那么上一个方法可行，否则我们可以使用内核动态分配的设 备号int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor,unsigned int count, char *name);dev是个只输出的参数，firstminor请求的第一个要用的次编号， count和name的作用如上1)对于新驱动，最好的方法是进行动态分配 3)释放设备号，void unregister_chrdev_region(dev_t first unsigned int count); ---文件操作file_operations结构体，内部连接了多个设备具体操作函数。该变量内部 的函数指针指向驱动程序中的具体操作，没有对应动作的指针设置为NULL。 1)fops的第一个成员是struct module *owner 通常都是设置成THIS_MODULE。 linux/module.h中定义的宏。用来在他的操作还在被使用时阻止模块被卸载。 2)loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);该方法用以改变文件中的当前读/ 写位置 返回新位置。 3)ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);该函数用 以从设备文件 中读取数据，读取成功返回读取的字节数。 编写字符设备驱动框架的步骤 Step 1: 申请设备号（主要是申请主设备号） 有两种方式: ⑴静态申请 通过下面这个函数实现： int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name); /* register_chrdev_region() - register a range of device numbers * @from: the first in the desired range of device numbers; must include * the major number. * @count: the number of consecutive device numbers required * @name: the name of the device or driver. * * Return value is zero on success, a negative error code on failure.*/ 这种方式主要用于，驱动开发者事先知道该驱动主设备号的情况。 ⑵动态申请 通过下面这个函数实现： int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name) /* alloc_chrdev_region() - register a range of char device numbers * @dev: output parameter for first assigned number * @baseminor: first of the requested range of minor numbers * @count: the number of minor numbers required * @name: the name of the associated device or driver * * Allocates a range of char device numbers. The major number will be * chosen dynamically, and returned (along with the first minor number) * in @dev. Returns zero or a negative error code.*/ 这种方式由系统动态分配一个设备号，返回的设备号保存在参数dev中。 Step 2 :注册字符设备 在linux 内核中用struct cdev表示一个字符设备。 字符设备的注册与注销分别通过下面的两个函数来实现： int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)； /** * cdev_add() - add a char device to the system * @p: the cdev structure for the device * @dev: the first device number for which this device is responsible * @count: the number of consecutive minor numbers corresponding to this * device * * cdev_add() adds the device represented by @p to the system, making it * live immediately. A negative error code is returned on failure. 实验五：简单字符设备驱动程序的设计 实验学时：4 实验类型：（设计） 一、实验目的 1. 理解设备驱动程序的处理过程； 2. 掌握Linux设备驱动程序开发的基本过程和设计方法； 3. 学会编写简单的字符设备驱动程序。 二、实验条件 Linux操作系统gcc 三、实验原理及相关知识 设备驱动程序是I/O进程与设备控制器之间的通信程序。 驱动程序的功能： ⑴接收由设备独立性软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为具体的要求。 ⑵检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关参数，设置设备的工作方式。 ⑶发出I/O命令。 ⑷及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。 ⑸对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根据用户的I/O请求，自动地构建通道程序。 设备驱动程序的处理过程： ⑴将抽象要求转换为具体要求 ⑵检查I/O设备请求的合法性 ⑶读出和检查设备的状态 ⑷传送必要的参数 ⑸工作方式的设置 ⑹启动I/O设备 Linux系统中，设备驱动程序是操作系统内核的重要组成部分，它与硬件设备之间建立了标准的抽象接口。通过这个接口，用户可以像处理普通文件一样，对硬件设备进行打开(open)、关闭(close)、读写(read/write)等操作。 通常设备驱动程序接口是由结构file_operations结构体向系统说明的，它定义在include/linux/fs.h中。file_operations的数据结构如下： struct file_operations { struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char_user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char _user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, 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); long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); ... }; ⑴open 入口点： open函数负责打开设备、准备I/O。任何时候对设备文件进行打开操作，都会调用设备的open入口点。所以，open函数必须对将要进行的I/O操作做好必要的准备工作，如清除缓冲区等。如果设备是独占的。则open函数必须将设备标记成忙状态。 ⑵close入口点 close函数负责关闭设备的操作，当最后一次使用设备完成后，调用close函数，关闭设备文件。独占设备必须标记为可再次使用。 close()函数作用是关闭打开的文件。 ⑶read入口点 read函数负责从设备上读数据和命令，有缓冲区的I/O设备操作一般是从缓冲区里读数据。 实验二：字符设备驱动实验 一、实验目的 通过本实验的学习，了解Linux操作系统中的字符设备驱动程序结构，并能编写简单的字符设备的驱动程序以及对所编写的设备驱动程序进行测试，最终了解Linux操作系统如何管理字符设备。 二、准备知识 字符设备驱动程序主要包括初始化字符设备、字符设备的I/O调用和中 断服务程序。在字符设备驱动程序的file_operations结构中，需要定义字 符设备的基本入口点。 open()函数； release()函数 read()函数 write()函数 ioctl()函数 select()函数。 另外，注册字符设备驱动程序的函数为register_chrdev()。 register_chrdev() 原型如下： int register_chrdev(unsigned int major, //主设备号 const char *name, //设备名称 struct file_operations *ops)； //指向设备操作函数指针 其中major是设备驱动程序向系统申请的主设备号。如果major为0， 则系统为该驱动程序动态分配一个空闲的主设备号。name是设备名称，ops 是指向设备操作函数的指针。 注销字符设备驱动程序的函数是unregister_chrdev(),原型如下：int unregister_chrdev(unsigned int major,const char *name); 字符设备注册后，必须在文件系统中为其创建一个设备文件。该设备文件可以在/dev目录中创建，每个设备文件代表一个具体的设备。 使用mknod命令来创建设备文件。创建设备文件时需要使用设备的主设备号和从设备号作为参数。 阅读教材相关章节知识，了解字符设备的驱动程序结构。 简单的虚拟字符设备驱动的实现 Linux業已成为嵌入式系统的主流，而各种Linux驱动程序的类型中，字符设备无疑是应用最广泛的。本文实现了一个简单的虚拟字符设备的驱动程序，用以演示Linux字符设备驱动的基本原理。在嵌入式Linux的教学中具有重要的作用。 标签：Linux 驱动程序字符设备虚拟嵌入式 Linux作为一种开放源代码的操作系统，在嵌入式系统领域业已成为主流，而为嵌入式Linux系统开发设备驱动程序，也成为一项重要的工作。Linux系统中的驱动程序主要分为三种：字符设备驱动程序、块设备驱动程序和网络驱动程序。其中字符设备是一类只能顺序读写，没有缓存的驱动程序，其实现方法相对简单，而应用则最为广泛。在嵌入式Linux的教学中，字符设备驱动程序也是一项重要内容。为了让学生能够理解字符设备驱动程序的原理，需要一个简单的字符设备驱动的例子，用以进行演示。 一、基本原理 把设备当作文件处理，是Linux系统的重要思想，即“一切皆文件”。在用户空间中，应用程序对字符设备的操作跟读写普通文件没有什么区别，也是通过open（）、close（）、read（）、write（）等函数实现的。操作系统将这些用户空间中的函数分别映射到内核空间中由驱动程序提供的对应接口。因此，内核空间中的驱动程序就需要通过对对应接口函数的实现来实现对用户空间中应用程序的支持。 file_opreations是字符设备驱动中最重要的结构，它包含了字符设备各种可能的接口函数。通常在嵌入式编程中，我们不需要全部实现，只需要实现我们实际用到的接口就可以了，这样可以有效降低程序的大小。该结构被定义在头文件“linux/fs.h”中，使用时只需声明该结构的一个变量并进行填充即可。 二、环境准备 为了进行嵌入式Linux的开发，必须首先安装Linux系统。这里采用最常用的Windows系统+VMWare虚拟机的形式，系统版本为RedHat Enterprise Linux 6.4，其自带的内核版本为2.6.32-358.el6.i686。该版本比之前沿用的RedHat9更新，同时也是一个被验证过的非常稳定的系统。 交叉编译器采用网上下载的Arm-Linux-gcc 4.5.1版本，同样兼顾到版本更新和稳定性之间的平衡关系。 各软件的安装过程本文不再赘述。字符设备驱动程序
字符设备驱动开发实验
一个简单字符设备驱动实例
一个简单的演示用的Linux字符设备驱动程序.
字符设备驱动程序
linux字符设备驱动课程设计报告
字符设备基础
字符设备驱动框架
LED驱动程序设计
嵌入式LED灯显示
LINUX字符设备驱动编写基本流程
字符设备驱动步骤
简单字符设备驱动程序的设计
实验二：字符设备驱动实验
简单的虚拟字符设备驱动的实现