1 引言

在Linux系統(tǒng)中，所有的外部設(shè)備都被看作是目錄/dev下的一個(gè)文件，也就是系統(tǒng)把外部設(shè)備當(dāng)作特殊文件來處理，并為外部設(shè)備提供一種標(biāo)準(zhǔn)接口，使得系統(tǒng)像訪問文件一樣訪問外部設(shè)備。在嵌入式Linux中，同樣也是把外部設(shè)備當(dāng)作文件來處理，應(yīng)用程序通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備文件操作函數(shù)來打開、關(guān)閉、讀取和控制設(shè)備,從事過Linux開發(fā)的人員都用到過上述設(shè)備控制函數(shù)，可它的實(shí)現(xiàn)機(jī)制很多開發(fā)人員并不清楚，所以開發(fā)過程中經(jīng)常遇到一些難以解決的問題，為了便于理解整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程，下面先分析設(shè)備驅(qū)動程序。

2 設(shè)備驅(qū)動程序

2.1驅(qū)動程序的功能

驅(qū)動程序設(shè)計(jì)是嵌入式Linux開發(fā)中十分重要的部分，驅(qū)動程序是應(yīng)用程序與硬件之間的一個(gè)中間軟件層，應(yīng)該為應(yīng)用程序展現(xiàn)硬件的所有功能，不應(yīng)該強(qiáng)加其它的約束，對于硬件使用的權(quán)限和限制應(yīng)該有應(yīng)用程序?qū)涌刂?。要?shí)現(xiàn)設(shè)備函數(shù)對外圍設(shè)備的操作和控制,首先必須分析驅(qū)動程序的構(gòu)成和實(shí)現(xiàn)原理。

2.2驅(qū)動程序的基本結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)

嵌入式Linux設(shè)備驅(qū)動程序都有一些共性，就是編寫所有類型的驅(qū)動程序都通用的，操作系統(tǒng)提供給驅(qū)動程序的支持也大致相同。這些特性包括：

2.2.1兩個(gè)重要的函數(shù)

(1)設(shè)備的注冊和初始化mydriver_init()函數(shù)

static int mydriver_init(void){

int i;

…………

i = register_chrdev(MYDRIVER_MAJOR,“mydriver”,& mydriver_fops);

…………

}

i = register_chrdev(MYDRIVER_MAJOR,“mydriver”,& amp; mydriver_fops); 這是一個(gè)驅(qū)動程序的精髓，當(dāng)執(zhí)行insmod命令時(shí)，這個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能:第一，申請主設(shè)備號;第二，在內(nèi)核中注冊設(shè)備的名字;第三，指定fops方法。其中所指定的fops方法就是用戶對設(shè)備進(jìn)行操作的方法，例如 read,write,open,release等.

(2) 驅(qū)動清除mydriver_cleanup()函數(shù)

static void mydriver_cleanup(void)

{…………

unregister_chrdev(MYDRIVER_MAJOR,”mydriver”);

………… }

該函數(shù)在執(zhí)行rmmod的時(shí)候被調(diào)用,主要功能是卸載驅(qū)動程序.

2.2.2 file_operations 結(jié)構(gòu)

每一個(gè)文件都有一個(gè)file的結(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中有一個(gè)file_operations的結(jié)構(gòu)體，這個(gè)結(jié)構(gòu)體指明了能夠?qū)υ撛O(shè)備文件進(jìn)行的操作, 如何實(shí)現(xiàn)這些操作，是編寫設(shè)備驅(qū)動程序大部分工作量所在。下面是本文所舉示例的file_operations結(jié)構(gòu)：

設(shè)備short_ch對應(yīng)的fops方法是這樣聲明的：

struct file_operations short_fops = {

NULL, // short_lseek

short_read,

short_write,

NULL, // short_readdir

NULL, // short_poll

NULL, // short_ioctl

NULL, // short_mmap

short_open,

short_release,

NULL, // short_fsync

NULL, // short_fasync

};

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其中NULL的項(xiàng)目就是不定義這個(gè)功能。可以看出short_ch設(shè)備只提供了read, write, open, release功能。其中write 功能在下面(3)中實(shí)現(xiàn)了，具體的實(shí)現(xiàn)函數(shù)起名為short_write。這些函數(shù)就是真正對設(shè)備進(jìn)行操作的函數(shù)，不管實(shí)現(xiàn)的時(shí)候是多么的復(fù)雜，但對用戶來看，就是這些常用的文件操作函數(shù)。

2.2.3文件操作函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

為了便于闡述和分析,把核心空間中的一個(gè)長度為20的數(shù)組 tbuf[20]做為一個(gè)設(shè)備。通過用戶程序?qū)λ鼘?shí)現(xiàn)open，read，write，close操作。這個(gè)設(shè)備的名字我稱為short_ch。我們編寫如下的函數(shù),這個(gè)write函數(shù)可以向核心內(nèi)存的一個(gè)數(shù)組里輸入一個(gè)字符串。

int short_write (struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf,

int count){

int retval = count;

extern unsigned char kbuf[20];

if(count>20)

count=20;

copy_from_user(kbuf, buf, count);

return retval;

}

3設(shè)備函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過程分析

在嵌入式Linux下對設(shè)備操作的時(shí)候，一般都會用到read、 write、llseek和ioctl 等函數(shù)，通過這些函數(shù)可以像使用文件那樣使用外部設(shè)備。這些函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過程基本上是類似的，下面以write函數(shù)為例來分析用戶使用write函數(shù)怎么把數(shù)據(jù)寫到設(shè)備里面去。

3.1應(yīng)用程序中函數(shù)的格式

用戶程序中的write函數(shù)有三個(gè)參數(shù)，函數(shù)格式如下：

write(int fd, char *buf, int count)

其中參數(shù)fd表示將對之進(jìn)行寫操作的設(shè)備文件打開時(shí)返回的文件描述符.參數(shù)buf是一個(gè)指向緩沖區(qū)的指針,該指針指向存放將寫入文件的數(shù)據(jù)的緩沖區(qū).參數(shù)count表示本次操作所要寫入文件的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù).fd一般大于3,0-2被系統(tǒng)分配給了默認(rèn)的終端設(shè)備.

3.2驅(qū)動程序中函數(shù)的格式

上面驅(qū)動程序函數(shù)定義中我們看到驅(qū)動程序里的write函數(shù)有四個(gè)參數(shù)，函數(shù)格式如下：

short_write (struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf, int count) inode 是設(shè)備節(jié)點(diǎn)指針,其中有設(shè)備號等信息，它能夠告訴操作系統(tǒng)應(yīng)該使用哪一個(gè)設(shè)備驅(qū)動程序，filp指針中有fops信息，可以告訴操作系統(tǒng)相應(yīng)的fops方法函數(shù)在那里可以找到,后兩項(xiàng)參數(shù)和應(yīng)用程序中的含義相同。

3.3應(yīng)用程序中函數(shù)和驅(qū)動程序中函數(shù)的參數(shù)傳遞

從上面可以知道兩個(gè)函數(shù)參數(shù)個(gè)數(shù)不同,當(dāng)應(yīng)用程序的write函數(shù)執(zhí)行時(shí),是怎么調(diào)用驅(qū)動程序中相應(yīng)的write函數(shù)的呢?其實(shí)關(guān)鍵是Linux系統(tǒng)內(nèi)核中的相應(yīng)函數(shù) sys_write,這也是最不透明最不容易理解的地方. Linux 內(nèi)核中sys_write的源代碼：

asmlinkage ssize_t sys_write(unsigned int fd, const char * buf, size_t count)

{ ssize_t ret;

struct file * file;

struct inode * inode;

ssize_t (*write)(struct file *, const char *, size_t, loff_t *); // 指向驅(qū)動程序中的wirte函數(shù)的指針

lock_kernel();

ret = -EBADF;

file = fget(fd); // 通過文件描述符得到文件指針

if (!file)

goto bad_file;

if (!(file->f_mode & FMODE_WRITE))

goto out;

inode = file->f_dentry->d_inode; // 得到inode信息

ret = locks_verify_area(FLOCK_VERIFY_WRITE, inode, file, file->f_pos,count);

if (ret)

goto out;

ret = -EINVAL;

if (!file->f_op || !(write = file->f_op->write)) // 將函數(shù)開始時(shí)聲明的write函數(shù)指針指向fops方法中對應(yīng)的write函數(shù)

goto out;

down(&inode->i_sem);

ret = write(file, buf, count, &file->f_pos); // 使用驅(qū)動程序中的write函數(shù)將數(shù)據(jù)輸入設(shè)備，注意看，這里就是四個(gè)參數(shù)了

up(&inode->i_sem);

out:

fput(file);

bad_file:

unlock_kernel();

return ret; }

從上面的函數(shù)功能可以看出, sys_write函數(shù)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序中write向驅(qū)動程序中的short_write的參數(shù)傳遞過程，其中上述注釋語句詳細(xì)地闡述了參數(shù)由三個(gè)到四個(gè)的變化過程。

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4結(jié)論

總的來說,設(shè)備函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過程由下面幾個(gè)步驟來完成：

(1) 加載驅(qū)動程序。驅(qū)動程序中的初始化函數(shù)申請?jiān)O(shè)備名和主設(shè)備號，這些可以在/proc/devieces目錄中查看到。 (2)從/proc /devices中獲得主設(shè)備號，驅(qū)動程序加載成功后建立設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件。通過主設(shè)備號將設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件和設(shè)備驅(qū)動程序聯(lián)系在一起。設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件中的file 屬性中指明了驅(qū)動程序中fops方法實(shí)現(xiàn)的函數(shù)指針。 (3)用戶程序使用open打開設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件，這時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核知道該驅(qū)動程序工作了，就調(diào)用 fops方法中的open函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的工作。 (4)當(dāng)用戶使用write函數(shù)操作設(shè)備文件時(shí)，操作系統(tǒng)調(diào)用內(nèi)核中的sys_write函數(shù)，該函數(shù)首先通過文件描述符得到設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件對應(yīng)的inode指針和filp指針。 (5)然后sys_write才會調(diào)用驅(qū)動程序中的write方法來對設(shè)備進(jìn)行寫的操作。用戶的write函數(shù)和驅(qū)動程序的write函數(shù)通過系統(tǒng)調(diào)用sys_write聯(lián)系到了一起。本文以設(shè)備文件操作控制函數(shù)write為例來闡述整個(gè)函數(shù)的調(diào)用過程，其它函數(shù)的過程基本相同，本文不再詳述。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于闡述了嵌入式應(yīng)用程序中對外部設(shè)備操作控制函數(shù)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制及具體過程的分析，在目前的文獻(xiàn)中很少有具體的分析，是作者在具體開發(fā)過程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。