UNIX/Linux驱动程序：深入剖析针式打印机

在UNIX/Linux系统里，对用户程序而言，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他文件一样对此设备文件进行操作。

UNIX对硬件设备支持两个标准接口，即块（字符）特别设备文件和字符特别设备文件。

通过块特别设备文件存取的设备称为块设备或具有块设备接口。块设备接口仅支持面向块的I/O操作，所有I/O操作都通过在内核地址空间中的I/O缓冲区进行，它可以支持几乎任意长度和任意位置上的I/O请求，即提供随机存取的功能。

字符设备接口支持面向字符的I/O操作，它不经过系统的快速缓存，所以它们负责管理自己的缓冲区结构。字符设备接口只支持顺序存取的功能，一般不能进行任意长度的I/O请求，而是限制I/O请求的长度必须是设备要求的基本块长的倍数。

设备由一个主设备号和一个次设备号标识。主设备号唯一标识了设备类型，即设备驱动程序类型，它是块设备表或字符设备表中设备表项的索引。次设备号仅由设备驱动程序解释，一般用于识别在若干可能的硬件设备中，I/O请求所涉及的那个设备。

设备驱动程序可以分为三个主要组成部分：

1）自动配置和初始化子程序：负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和是否能正常工作。如果该设备正常，则对这个设备及其相关的、设备驱动程序需要的软件状态进行初始化。这部分驱动程序仅在初始化的时候被调用一次。

2）服务于I/O请求的子程序：又称为驱动程序的上半部分。调用这部分是由于系统调用的结果。这部分程序在执行时，系统仍认为是和进行调用的进程属于同一个进程，只是由用户态变成了核心态，具有进行此系统调用的用户程序的运行环境，因此可以在其中调用sleep（）等与进程运行环境有关的函数。

3）中断服务子程序：又称为驱动程序的下半部分。在UNIX系统中，并不是直接从中断向量表中调用设备驱动程序的中断服务子程序，而是由UNIX系统来接收硬件中断，再由系统调用中断服务子程序。中断可以产生在任何一个进程运行时，因此在中断服务程序被调用时，不能依赖于任何进程的状态，也就不能调用任何与进程运行环境有关的函数。因为设备驱动程序一般支持同一类型的若干设备，所以一般在系统调用中断服务子程序时，都带有一个或多个参数，以唯一标识请求服务的设备。

在系统内部，I/O设备的存取通过一组固定的入口点来进行，这组入口点是由每个设备的设备驱动程序提供的。一般来说，字符型设备驱动程序能够提供如下几个入口点：

1）open入口点：打开设备准备I/O操作。对字符特别设备文件进行打开操作，都会调用设备的open入口点。open子程序必须对将要进行的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，即同一时刻只能有一个程序访问此设备，则open子程序必须设置一些标志，以表示设备处于忙状态。

2）close入口点：关闭一个设备。当最后一次使用设备终结后，调用close子程序。独占设备必须标记设备可再次使用。

3）read入口点：从设备上读数据。对于有缓冲区的I/O操作，一般是从缓冲区里读数据。对字符特别设备文件进行读操作，将调用read子程序。

4）write入口点：向设备上写数据。对于有缓冲区的I/O操作，一般是把数据写入缓冲区里。对字符特别设备文件进行写操作，将调用write子程序。

5）ioctl入口点：执行读、写之外的操作。

6）select入口点：检查设备，看数据是否可读或设备是否可用于写数据。select系统调用在检查与设备特别文件相关的文件描述符时使用select入口点。如果设备驱动程序没有提供上述入口点中的某一个，系统会用默认的子程序来代替。对于不同的系统，也还有一些其他的入口点。

具体到Linux系统里，设备驱动程序所提供的这组入口点由一个结构来向系统进行说明，此结构定义为：

其中，struct inode提供了关于特别设备文件/dev/driver（假设此设备名为driver）的信息，它的定义为：

structfile主要用于与文件系统对应的设备驱动程序使用。当然，其他设备驱动程序也可以使用它。它提供关于被打开的文件的信息，定义为：

在结构file_operations里，指出了设备驱动程序所提供的入口点位置，分别是：

1）lseek：移动文件指针的位置，显然只能用于可以随机存取的设备。

2）read：进行读操作，参数buf为存放读取结果的缓冲区，count为所要读取的数据长度。返回值为负表示读取操作发生错误，否则返回实际读取的字节数。对于字符型，要求读取的字节数和返回的实际读取字节数都必须是inode-＞i_blksize的倍数。

3）write：进行写操作，与read类似。

4）readdir：取得下一个目录入口点，只有与文件系统相关的设备驱动程序才使用。

5）select：进行选择操作，如果驱动程序没有提供select入口，select操作将会认为设备已经准备好进行任何的I/O操作。

6）ioctl：进行读、写以外的其他操作，参数cmd为自定义的命令。

7）mmap：用于把设备的内容映射到地址空间，一般只有块设备驱动程序使用。

8）open：打开设备准备进行I/O操作。返回0表示打开成功，返回负数表示失败。如果驱动程序没有提供open入口，则只要/dev/driver文件存在就认为打开成功。

9）release：即close操作。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登记，以便系统在适当的时候调用。Linux系统里，通过调用register_chrdev向系统注册字符型设备驱动程序。register_chrdev定义为：

其中，major是为设备驱动程序向系统申请的主设备号，如果为0，则系统为此驱动程序动态地分配一个主设备号。name是设备名。fops就是前面所说的对各个调用的入口点的说明。此函数返回0表示成功。返回-EINVAL表示申请的主设备号非法，一般来说是主设备号大于系统所允许的最大设备号。返回-EBUSY表示所申请的主设备号正在被其他设备驱动程序使用。如果是动态分配主设备号成功，此函数将返回所分配的主设备号。如果register_chrdev操作成功，设备名就会出现在/proc/devices文件里。

初始化部分一般还负责给设备驱动程序申请系统资源，包括内存、中断、时钟、I/O端口等，这些资源也可以在open子程序或其他地方申请。在不用这些资源时，应该释放它们，以利于资源的共享。在UNIX系统里，对中断的处理是属于系统核心的部分，因此如果设备与系统之间以中断方式进行数据交换，就必须把该设备的驱动程序作为系统核心的一部分。设备驱动程序通过调用request_irq函数来申请中断，通过free_irq来释放中断。它们的定义为：

#include＜linux/sched.h＞(www.xing528.com)

int request_irq（unsigned int irq，

void（*handler）（intirq，voiddev_id，structpt_regs*regs），

unsigned long flags，

const char*device，

void*dev_id）；

void free_irq（unsigned int irq，void*dev_id）；

参数irq表示所要申请的硬件中断号。

handler为向系统登记的中断处理子程序，中断产生时由系统来调用，调用时所带参数irq为中断号，dev_id为申请时告诉系统的设备标识，regs为中断发生时寄存器内容。

device为设备名，将会出现在/proc/interrupts文件里。

flag是申请时的选项，它决定中断处理程序的一些特性，其中最重要的是中断处理程序是快速处理程序（flag里设置了SA_INTERRUPT）还是慢速处理程序（不设置SA_INTERRUPT），快速处理程序运行时，所有中断都被屏蔽；而慢速处理程序运行时，除了正在处理的中断外，其他中断都没有被屏蔽。在Linux系统中，中断可以被不同的中断处理程序共享，这要求每一个共享此中断的处理程序在申请中断时在flags里设置SA_SHIRQ，这些处理程序之间以dev_id来区分。如果中断由某个处理程序独占，则dev_id可以为NULL。request_irq返回0表示成功，返回-INVAL或handler==NULL，返回-EBUSY表示中断已经被占用且不能共享。

作为系统核心的一部分，设备驱动程序在申请和释放内存时不是调用malloc和free，而代之以调用kmalloc和kfree，它们被定义为：

#include＜linux/kernel.h＞

void*kmalloc（unsigned int len，int priority）；

void kfree（void*obj）；

参数len为希望申请的字节数，obj为要释放的内存指针。

priority为分配内存操作的优先级，即在没有足够空闲内存时如何操作，一般用GFPKER-NEL。

与中断和内存不同，使用一个没有申请的I/O端口不会使CPU产生异常，也就不会导致诸如“seg-mentation fault”一类的错误发生。任何进程都可以访问任何一个I/O端口。此时系统无法保证对I/O端口的操作不会发生冲突，甚至会因此而使系统崩溃。因此，在使用I/O端口前，也应该检查此I/O端口是否已有其他程序在使用，若没有，再把此端口标记为正在使用，在使用完以后释放它。

这样需要用到如下几个函数：

调用这些函数时的参数为：from表示所申请的I/O端口的起始地址；extent为所要申请的从from开始的端口数；name为设备名，将会出现在/proc/ioports文件里。check_region返回0表示I/O端口空闲，否则为正在被使用。

在申请了I/O端口之后，就可以用如下几个函数来访问I/O端口：

其中inb_p和outb_p插入了一定的延时，以适应某些慢的I/O端口。在设备驱动程序里，一般都需要用到计时机制。在Linux系统中，时钟是由系统接管，设备驱动程序可以向系统申请时钟。与时钟有关的系统调用有：

其中expires是要执行function的时间。系统核心有一个全局变量JIFFIES表示当前时间，一般在调用add_timerjiffies=JIFFIES+num，表示在num个系统最小时间间隔后执行function。系统最小时间间隔与所用的硬件平台有关，在核心里定义了常数HZ表示一秒内最小时间间隔的数目，则num*HZ表示num秒。系统计时到预定时间就调用function，并把此子程序从定时队列里删除，因此如果想要每隔一定时间间隔执行一次，就必须在function里再一次调用addtimer。function的参数d即为timer里面的data项。

在设备驱动程序里，还可能会用到如下的一些系统函数：

这两个函数负责打开和关闭中断允许。

在用户程序调用read、write时，因为进程的运行状态由用户态变为核心态，地址空间也变为核心地址空间。而read、write中参数buf是指向用户程序的私有地址空间的，所以不能直接访问，必须通过上述两个系统函数来访问用户程序的私有地址空间。memcpy_fromfs由用户程序地址空间向核心地址空间复制，memcpy_tofs则反之。参数to为复制的目的指针，from为源指针，n为要复制的字节数。

在设备驱动程序里，可以调用printk来打印一些调试信息，用法与printf类似。printk打印的信息不仅出现在屏幕上，同时还记录在文件syslog里。

在Linux里，除了直接修改系统核心的源代码，把设备驱动程序加进核心里以外，还可以把设备驱动程序作为可加载的模块，由系统管理员动态地加载它，使之成为核心的一部分。也可以由系统管理员把已加载的模块动态地卸载下来。Linux中，模块可以用C语言编写，用gcc编译成目标文件（不进行链接，作为*.o文件存在），为此需要在gcc命令行里加上-c的参数。在编译时，还应该在gcc的命令行里加上这样的参数：-DKERNEL-DMODULE。由于在不链接时，gcc只允许一个输入文件，因此一个模块的所有部分都必须在一个文件里实现。

编译好的模块*.o放在/lib/modules/xxxx/misc下（xxxx表示核心版本，如在核心版本为2.0.30时应该为/lib/modules/2.0.30/misc），然后用depmod-a使此模块成为可加载模块。模块用insmod命令加载，用rmmod命令来卸载，并可以用lsmod命令来查看所有已加载的模块的状态。

编写模块程序时，必须提供两个函数，一个是intinitmodule（void），供insmod在加载此模块时自动调用，负责进行设备驱动程序的初始化工作。init_module返回0表示初始化成功，返回负数表示失败。另一个函数是void cleanup_module（void），在模块被卸载时调用，负责进行设备驱动程序的清除工作。

在成功地向系统注册了设备驱动程序后（调用register_chrdev成功后），就可以用mknod命令来把设备映射为一个特别文件，其他程序使用这个设备时，只要对此特别文件进行操作就行了。