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 戶進程對設(shè)備進行讀寫請求時，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)來進行實際 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。

? 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 __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 *);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 *, loff_t, loff_t, int datasync);int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);int (*fasync) (int, struct file *, int);int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);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);int (*check_flags)(int);int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,loff_t len); };

?

當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進行諸如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，要實現(xiàn)兩個必不可少的函數(shù)init_module( )和cleanup_module( )，而且至少要包含和兩 個頭文件。一般使用LDD3 例程中使用的makefile 作為基本的版本，稍作改變之后用來編譯驅(qū)動，編譯生成的模塊（一般為.ko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命令進行卸載，此進內(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)。 ?

4. 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。但是現(xiàn)在

程序員都傾向于動態(tài)創(chuàng)建設(shè)備號和設(shè)備結(jié)點，動態(tài)創(chuàng)建設(shè)備號和設(shè)備結(jié)點需要幾個指定的函數(shù)，具體 可以參見“Linux字符驅(qū)動中動態(tài)分配設(shè)備號與動態(tài)生成設(shè)備節(jié)點”。
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：?

1.使用計數(shù)減1。?

2.釋放在file->private_data中分配的內(nèi)存。?

3.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 系統(tǒng)調(diào)用有下面的原型:?int ioctl(int fd, unsigned long cmd, ...)，第一個參數(shù)是文件描述符，第二個參數(shù)是具體的命令，一般使用宏定義來確定，第三個參數(shù)一般是傳遞給驅(qū)動中處理設(shè)備控制操作函數(shù)的參數(shù)。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)備的實際情況進行具體分析。?
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行操作。??
? ? 基本框架

在用模塊方式實現(xiàn)PCI設(shè)備驅(qū)動程序時，通常至少要實現(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 my_pci_tbl [] __initdata = { {PCI_VENDOR_ID, PCI_DEVICE_ID,PCI_ANY_ID, PCI_ANY_ID, 0, 0, 0}, {0,} };/* 對特定PCI設(shè)備進行描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) */ struct device_private { ... }/* 中斷處理模塊 */ static irqreturn_t device_interrupt(int irq, void *dev_id) { /* ... */ }/* 設(shè)備文件操作接口 */ static struct file_operations device_fops = { owner: THIS_MODULE, /* demo_fops所屬的設(shè)備模塊 */ read: device_read, /* 讀設(shè)備操作*/ write: device_write, /* 寫設(shè)備操作*/ ioctl: device_ioctl, /* 控制設(shè)備操作*/ mmap: device_mmap, /* 內(nèi)存重映射操作*/ open: device_open, /* 打開設(shè)備操作*/ release: device_release /* 釋放設(shè)備操作*/ /* ... */ };/* 設(shè)備模塊信息 */ static struct pci_driver my_pci_driver = { name: DEVICE_MODULE_NAME, /* 設(shè)備模塊名稱 */ id_table: device_pci_tbl, /* 能夠驅(qū)動的設(shè)備列表 */ probe: device_probe, /* 查找并初始化設(shè)備 */ remove: device_remove /* 卸載設(shè)備模塊 */ /* ... */ };static int __init init_module (void) { /* ... */ }static void __exit cleanup_module (void) {pci_unregister_driver(&my_pci_driver); }/* 加載驅(qū)動程序模塊入口 */ module_init(init_module);/* 卸載驅(qū)動程序模塊入口 */ module_exit(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。 ?

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/zhuyp1015/archive/2012/06/30/2571400.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Linux PCI 设备驱动基本框架（一）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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