摘要:計算機軟件和集成電路技術的發展，爲嵌入式產業帶來了巨大的機遇和挑戰，Linux以其穩定、高效、易定製、硬件廣泛支持等特點，迅速崛起爲當今計算機領域的一匹黑馬。文章通過對與嵌入式Linux設備驅動程序相關內核源碼進行分析，從設備驅動的體系結構和內核環境兩方面入手，對嵌入式Linux設備驅動程序的工作原理進行剖析和闡述。
關鍵詞: Linux；嵌入式系統；設備驅動；內核環境
0. 引 言
設備驅動程序在Linux內核中佔有極其重要的位置，它是內核用於完成對物理設備的控制操作的功能模塊。除了CPU、內存以及其他很少的幾個部分以外，所有的設備控制操作都必須由與被控設備相關代碼——驅動程序來完成。否則設備就無法在Linux下正常工作，這就是驅動程序開發成爲Linux內核開發的主要工作的原因。
然而，在嵌入式Linux 系統中，內核提供保護機制，用戶空間的進程一般不能直接訪問硬件。進行嵌入式系統的開發，很大的工作量是爲各種設備編寫驅動程序，Linux 設備驅動程序在Linux 內核源代碼中佔有60%以上，從2.0、2.2 到2.4 版本的內核，源代碼的長度日益增加，其實主要是設備驅動程序在增加。
文章通過對與設備驅動相關內核源碼進行分析，從設備驅動的內部結構和內核環境兩方面入手，對設備驅動程序的工作原理進行深入地剖析和闡述。
1. Linux I/O子系統的體系結構
1.1 I/O子系統的層次結構
Linux的I/O子系統分爲上下兩個層次：其下層是與設備有關的，即設備驅動程序，它直接控制設備完成具體的I/O操作，並且向上層提供一組訪問接口；上層部分是與設備無關的，它根據進程的I/O請求設備驅動程序接口與設備進行通信。由於Linux把設備作爲文件管理，所以I/O子系統的上層實際上就是實現文件管理功能的虛擬文件系統VFS，進程的I/O請求經過VFS的轉換完成對設備的各種操作，而這些操作的具體實現是由設備驅動來完成的。（如圖1所示）
1.2 I/O驅動軟件的總體目標
I/O驅動軟件的總體目標是將軟件組織成一種層次結構，底層軟件用來屏蔽具體設備硬件的細節；高層軟件則爲用戶提供一個簡潔的界面，從而實現I/O設計的設備無關性。（如圖1所示）
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2. 文件操作例程登記表
2.1 文件系統調用接口
struct file_operations IOdriver_fops =
{
read : IOdriver_read,
write : IOdriver_write,
};我們用以globar_read和read函數爲例來對驅動底層軟件結構是如何屏蔽設備硬件細節進行剖析。
static ssize_t globar_read(struct file *file, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
if(__copy_to_user(buf,&globar_var, sizeof(int)))
{
return –EFAULT;
}
return sizeof(int);
} .jpg)
用戶程序讀操作的入口點到用戶空間的緩衝區中，
.jpg)
read和global_read函數之間的通信是靠字符設備驅動接口中的file_operations結構，基於Linux-2.4.20的<linux/fs.h>的定義如下：
struct file_operations {
struct module *owner；
/* 指向擁有本結構的module，用於內核維護模塊的引用技術 */
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int)；
/* 改變當前文件的讀/寫位置並返回新位置，錯誤返回負數 */
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t)；
/* 用來從設備接收數據，返回的非負數表示成功讀取的字節數 */
ssize_t (*write) (struct file *,const char *, size_t, loff_t *)；
/* 用來往設備發數據，返回的非負數表示成功寫入的字節數 */
int（readdir）)(struct inode *, struct file *, void *, filldir_t)；
/* 僅用於文件系統的目錄讀取，不用於設備驅動 */
int (*select)(struct inode *, struct file *, int, select table *)；
/* 用於查詢設備是否可讀、可寫或處於特殊的狀態 */
int (*ioctl)(struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned int )；
/* 用於給設備發送命令的接口函數。如驅動不提供，則所有調用失敗，返回ENOTTY */
int (*mmap)(struct inode *, struct file *, struct vm_area_struct *)；
/* 用於請求將設備內存映射到進程空間。如果驅動不提供，則所有調用失敗，返回ENODEV */
int (*open)(struct inode *, struct file *)；
/* 打開設備，通常是對設備的第一個操作函數 */
void (*release)(struct inode *, struct file *)；
/* 關閉設備。只有當設備文件的所有備份都被釋放時，才進行release調用，而不是每次調用close時都執行。 */
int (*fsync)(struct inode *, struct file *)；
/* 是系統調用fsync的背後支撐，用戶可調用fsync來刷新緩存數據 */
}；
3. Linux驅動工作原理
3.1 驅動程序工作原理圖（如圖3所示）
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3.2 驅動程序工作原理剖析
3.2.1註冊驅動程序
設備驅動是通過insmod命令加載到系統內核中，在內核裏由加載模塊Init_module()調用註冊函數register_chrdev()來完成（如圖3所示）。
註冊函數格式爲：
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operation *fops); name ：設備名
fops ：驅動程序結構體的地址
當註冊函數在執行時，首先從字符設備註冊表chrdev[ ]的底部（實際是倒數第二個表項）開始向上依次查詢各個表項（如圖4所示），查到表項的成員項fops爲null時，說明它是一個空表項。這時把參數給出的設備名和驅動程序指針集合分別賦予該表項device_struct結構體（也被稱爲設備描述符，在fs/device.c中）的成員項name和fops，如下所示：
.jpg)
if (major == 0)
for (major=MAX_CHRDEV-1; major>0; major--)
{if (chrdev[major].fops == NULL)
{chrdev[major].name = name;
chrdev[major].fops = fops;
return major;}
return –EBUSY;
}驅動程序的註銷是由rmmod命令調用cleanup_module卸載模塊，此時註銷函數unregister_chrdev()函數就會被調用執行（如圖3所示）。當註銷函數的參數給出了要註銷設備的主設備號major和設備名name後，根據參數major檢查註冊表項中註冊的設備名與參數給出的名字是否一致，若不同則不能註銷並返回錯誤值；如果一致則把該表項的兩個成員項都置爲null然後返回0值，如下所示：
if (strcmp(chrdev[major].name, name))
reture –EINVAL;
else
{ chrdev[major].name = NULL;
chrdev[major].fops = NULL;
return 0;}
4. 結束語
操作系統是通過各種驅動程序來駕馭硬件設備的，它爲用戶屏蔽了各種各樣的設備，驅動硬件是操作系統最基本的功能，並且提供統一的操作方式。設備驅動程序是內核的一部分，硬件驅動程序是操作系統最基本的組成部分,因此熟悉驅動的編寫是很重要的。
參考文獻：
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