摘要：本文詳細介紹了基于Linux操作系統(tǒng)中字符設(shè)備驅(qū)動開發(fā)。首先介紹了字符設(shè)備驅(qū)動開發(fā)的相關(guān)概念，簡述了驅(qū)動程序開發(fā)的基本知識和字符設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)的基本流程，重點闡述了Linux內(nèi)核相關(guān)程序結(jié)構(gòu)。為字符設(shè)備驅(qū)動開發(fā)的完整性，舉例說明了字符設(shè)備驅(qū)動開發(fā)的編譯下載和測試等實踐知識。通過本論文能達到掌握字符設(shè)備驅(qū)動開發(fā)的基本能力，進而為復雜設(shè)備驅(qū)動開發(fā)打下基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞：Linux;字符設(shè)備;驅(qū)動程序

　　任何一個計算機系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)都是系統(tǒng)中軟硬件共同努力的結(jié)果，沒有硬件的軟件是空中樓閣，而沒有軟件的硬件則只是一堆廢鐵。計算機系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)外部設(shè)備并與外部設(shè)備通信，依靠驅(qū)動程序。設(shè)備驅(qū)動程序運行在內(nèi)核空間，作為外部設(shè)備與應(yīng)用軟件橋梁。在所有嵌入式操作系統(tǒng)里，嵌入式Linux系統(tǒng)相比于其他的系統(tǒng)，在嵌入式領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢。首先是Linux開源免費;然后是Linux的內(nèi)核體積小且易于模塊化，適應(yīng)性和可配置性好適合各種平臺，它同時還支持多任務(wù)、多用戶;最后是Linux有很多開發(fā)論壇，提供豐富開發(fā)資料，對開發(fā)者而言是強大的技術(shù)外援。所以本論文是基于Linux操作系統(tǒng)上開發(fā)字符設(shè)備驅(qū)動程序。

　　程序設(shè)計論文：以O(shè)J系統(tǒng)和學科競賽為核心的程序設(shè)計實踐教學

　　1字符設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計基礎(chǔ)

　　1.1基本原理

　　1.1.1創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點。

　　在Linux操作系統(tǒng)中所有設(shè)備都當作文件來處理，每個設(shè)備在/dev目錄下都有一個設(shè)備文件與之相對應(yīng)，對設(shè)備的打開、讀寫、控制和關(guān)閉等所有操作都是通過/dev/目錄下對應(yīng)的文件進行操作。設(shè)備節(jié)點有時會自動創(chuàng)建，可是字符設(shè)備驅(qū)動并不直接負責這一項操作。因此我們在設(shè)計字符設(shè)備驅(qū)動時會需要手動創(chuàng)建節(jié)點，使用mknod命令在文件系統(tǒng)上人工創(chuàng)建。除此之外Linux中有一組函數(shù)可以用來在/dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點，即class_create()和device_create()。

　　1.1.2主次設(shè)備號。Linux管理的所有設(shè)備都有與之對應(yīng)的目錄，內(nèi)核通過驅(qū)動程序來識別設(shè)備。一般來說驅(qū)動程序通過主設(shè)備號快速匹配外部設(shè)備，但同一類設(shè)備數(shù)量不只一個(或者說一個驅(qū)動程序可以同時匹配多個設(shè)備)，所以必須增加次設(shè)備號，它給驅(qū)動程序提供了一種能從同一驅(qū)動管理下的同類型設(shè)備分辨出目標設(shè)備的方法。

　　1.1.3用戶空間和內(nèi)核空間。嵌入式系統(tǒng)屬于多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)，不能因為某個用戶或某個任務(wù)的非法操作造成死機現(xiàn)象，所以用程序運行在用戶空間，而驅(qū)動程序則運行在內(nèi)核空間，內(nèi)核空間維護計算機系統(tǒng)全局穩(wěn)定性，驅(qū)動程序運行時受到內(nèi)核程序較多約束，因為在內(nèi)核中運行任一程序出現(xiàn)問題都會造成計算機系統(tǒng)死機。而應(yīng)用程序運行較“寬松”。

　　1.1.4應(yīng)用程序與硬件設(shè)備的訪問。

　　計算機系統(tǒng)中的應(yīng)用程序通過運行在內(nèi)核空間的驅(qū)動程序來訪問計算機外部設(shè)備。應(yīng)用程序按照其中的流程對硬件設(shè)備進行訪問。首先是應(yīng)用程序調(diào)用操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)函數(shù)，從而訪問內(nèi)核空間，然后內(nèi)核空間的結(jié)構(gòu)file_operations來實現(xiàn)驅(qū)動程序中的相關(guān) 函數(shù)，從而實現(xiàn)對設(shè)備的訪問。

　　1.2重要結(jié)構(gòu)

　　file_operations要實現(xiàn)用戶空間對內(nèi)核空間的調(diào)用，必須依賴Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核中一個非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：file_operations。此結(jié)構(gòu)存放在內(nèi)核include/linux/fs.h文件中，所以用到此結(jié)構(gòu)的代碼都應(yīng)包含此頭文件#include 。file_operations結(jié)構(gòu)如下：Linux使用file_operations訪問驅(qū)動中的函數(shù)時,file_operations中存儲著對設(shè)備進行各種操作的函數(shù)指針f_ops，file_operations中每一個成員名都對應(yīng)一個調(diào)用函數(shù)，如：file_open()、file_allocate()、file_read()、file_write()、file_ioctl()、file_close()等。比如在對系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)存取的時候，系統(tǒng)通過設(shè)備的設(shè)備號來找到驅(qū)動，然后讀取驅(qū)動，開始執(zhí)行函數(shù)。例如：應(yīng)用程序要對某個外部設(shè)備進行如open操作時，這時匹配該外部設(shè)備的驅(qū)動程序就會執(zhí)行對應(yīng)的fopen函數(shù)。

　　2字符設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)

　　字符設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)涉及到知識點較多，開發(fā)起來顯得有點復雜。但規(guī)律可循，總結(jié)如下流程：第一步：編寫驅(qū)動程序文件準備工作(定義設(shè)備名稱、定義主次設(shè)備號)、設(shè)備注冊、定義結(jié)構(gòu)體file_operations、實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體內(nèi)的功能函數(shù)、設(shè)備注銷等。具體下來有以下工作：a.初始化外部設(shè)備的相關(guān)寄存器。包括定時寄存器、中斷寄存器、串口寄存器;b.初始化硬件設(shè)備參數(shù);c.注冊設(shè)備。通過主次設(shè)備號與次設(shè)備號將驅(qū)動程序與設(shè)備關(guān)聯(lián)起來，內(nèi)核會調(diào)用函數(shù)register_chrdev來注冊匹配的外部設(shè)備;d.注冊外部設(shè)備中斷函數(shù)。內(nèi)核會調(diào)用函數(shù)request_irq()來注冊匹配的外部設(shè)備的中斷函數(shù)。

　　第二步：驅(qū)動程序放進Linux內(nèi)核將編輯好驅(qū)動程序源文件和頭文件放置內(nèi)核相對應(yīng)的文件下./kernel/drivers/char，同時修改Linux內(nèi)核配置文件***.config，在使用makemenuconfig命令時在配置頁面里出現(xiàn)相應(yīng)的配置選項，使用空格鍵選中，保存后退出，再使用預(yù)安裝好的交叉編譯工具鏈進行交叉編譯。需要說明的，設(shè)備驅(qū)動程序編譯有兩種方法，一種是編譯進內(nèi)核，另一種是編譯成模塊。一般來說，調(diào)試階段編譯成模塊形式，驅(qū)動程序穩(wěn)定后，編譯進內(nèi)核。

　　3字符設(shè)備驅(qū)動程序舉例

　　在Linux環(huán)境下，以鍵盤驅(qū)動程序為例進行說明。硬件基本情況是：S3C2410+HD7279(鍵盤數(shù)碼管模塊)。

　　3.1編寫鍵盤驅(qū)動程序

　　a.編寫file_operations結(jié)構(gòu)。structfile_operationsKey_Board_7279={open:Key_Board_7279_Open,//打開設(shè)備文件ioctl:Key_Board_7279_Ioctl,//設(shè)備文件其他操作release:Key_Board_7279_Close,//關(guān)閉設(shè)備文件};b.編寫Key_Board_7279_Open/。Key_Board_7279_Close/Key_Board_7279_Ioctl函數(shù)。打開/關(guān)閉函數(shù)為NULL，Key_Board_7279_Ioctl函數(shù)實現(xiàn)獲取鍵值c.鍵盤服務(wù)子程序。staticvoidKey_Board_7279_ISR(intirq,void*dev_id,structpt_regs*regs){disable_irq(33);//使用33號中斷key_number=Read_Key_Board_7279(cmd_read);//中斷方式讀取鍵值...}d.初始化鍵盤硬件函數(shù)。

　　voidSetup_Key_Board_7279(void)e.注冊鍵盤設(shè)備，調(diào)用初始化函數(shù)。int__initKey_Board_7279_Init(void){register_chrdev(...)//注冊設(shè)備Setup_Key_Board_7279(...)//調(diào)用硬件初始化函數(shù)request_irq(...)//注冊中斷}f.卸載鍵盤設(shè)備。void__exitKey_Board_7279_Exit(void)3.2測試鍵盤驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動編譯后，接著編寫測試程序kbd.c用來檢測驅(qū)動程序的效果。fd=open("/dev/Kbd7279",0)

　　結(jié)束語

　　本論文講述了字符設(shè)備驅(qū)動的基本原理及編寫字符設(shè)備驅(qū)動程序的方法。基于S3C2410+HD7279平臺上，演示了鍵盤字符設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)并進行了驗證。本文可認為是字符設(shè)備驅(qū)動開發(fā)范例，為初學字符設(shè)備驅(qū)動開發(fā)提供參考。

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　　作者：占華林徐濤濤陳亮亮于子正李明鑫