基于ARM的嵌入式Linux字符设备驱动设计研究

【摘要】本文描述了基于ARM嵌入式Linux的字符设备驱动设计，设备调用的过程，阐述了嵌入式linux下字符设备驱动设计中的关键技术，包括设备的注册、中断响应卸载等。

【关键词】字符设备；驱动设计；设备调用

1.引言

随着嵌入式系统的发展，嵌入式Linux以其稳定性和开放源代码的优点在嵌入式系统的开发中得到广泛应用。越来越多的软硬件厂商使用嵌入式Linux来开发自己的产品，对于嵌入式Linux平台开发设备的驱动程序和应用程序的需求在成倍增长。

2.驱动程序

驱动程序为应用程序提供了操作设备的接口；Linux设备分为字符设备，块设备和网络设备。字符设备是以字节流的方式被访问的设备，是所有设备中相对简单的设备。一般的访问方式是字符设备被映射到Linux文件系统的文件和目录，通过文件系统的系统调用接口open（），write（），read（），close（）等函数访问字符设备，实现设备的操作。

3.系统字符设备驱动程序的设计方法

Linux驱动程序是设备与具体的应用程序的中间层，它提供操作设备的接口，应用程序员不需要知道具体设备工作细节，只要调用一组标准化的函数就能完成对设备的操作，这些标准化的函数与具体的驱动没有关系，而将这些函数映射到作用于具体设备上的操作则与驱动程序相关。

以下具体介绍字符设备调用及驱动的实现方法。

一般对于字符设备的访问分为：

初始化、中断调用响应、释放等过程。

3.1 初始化

设备初始化通过初始化函数实现，Linux系统中，设备驱动的初始化函数负责注册设备，并完成驱动程序必要的初始化以及申请中断等。Linux系统使用module_init宏指定初始化函数。在初始化函数中调用regiSTer_chrdev函数向系统注册字符设备，通过request_IRq函数申请中断。例如初始化函数如下：

static int__init moto_init（void）{

int ret；

ret=register_chrdev（MOTO_MAJOR，”moto”，&moto_fops）；

if（ret）{

printk（KERN_ERR”%s：can’t get major %d.＼n"，

__func__，MOTO_MAJOR）；

return ret；

}

printk（KERN_INFO”%s：register moto device successfully.＼n”，__func__）；

return 0；

}其中，register_chrdev函数的第一个参数为主设备号，如果为0则系统为此驱动程序动态地分配一个主设备号；第二个参数是设备名称，这里是以moto为设备名称；第三个参数moto_fops是默认的struct file_operations结构体。

3.2 中断

在Linux系统中，中断是由系统来管理与维护的。中断服务子程序在初始化函数中调用request_irq函数与相应中断号关联，并将该中断的相关信息添加到系统的中断信息列表中。中断发生时，Linux系统响应中断号来实现中断处理程序的执行。

3.3 释放

释放是通过清除函数来实现。清除函数的功能和初始化函数的功能相反，它将驱动程序所占用的系统资源、中断号进行释放。Linux系统使用module_exit宏指定清除函数。

3.4 设备驱动接口的实现示例

在Linux内核中，字符设备使用struct file_operations结构体来实现设备的各种操作接口，这些操作主要用来实现系统调用，命名为open、read等等。file_operations结构是定义在中的函数指针数组，每个设备文件都与它自己的操作函数相关联。编写字符设备驱动程序，主要是实现struct file_operations结构中的各个函数。

字符设备驱动的设计主要是实现open、read、write和release这四个方法接口。file_operation结构成员如下：

struct file_operations device_fops={

open方法提供给驱动程序以初始化的能力，从而为以后的操作完成初始化做准备。

当多个设备共用一个驱动的情况出现时，驱动中的open方法程序框架如下：

int device_open（struct inode *inode， struct file*filp）{int minor=MINOR（kdev）；//设备号的读取switch（minor）{

case first_device：device_first_vaddr=（unsigned long）ioremap（DEVICE_FIRST_ADDR，2）；

……

case second_device：

……

default：

……

}MOD_INC_USE_COUNT；

if（down_interruptible（&device_mutex））{……}；}

（1）open方法调用MINOR（kdev）宏实现设备号的读取，使用switch语句完成设备的匹配初始化。Linux系统为每一个设备分配了一个主设备号和次设备号。主设备号标识具体的设备驱动程序，次设备号标识具体设备。

ioremap函数在open方法中实现对字符设备寄存器的访问。处理器有专门的存储器管理单元（MMU），在驱动中不能直接对设备I/O内存的物理地址进行读写，需要调用ioremap等内核函数将寄存器的实际物理地址映射到内核统一的地址空间中，从而实现了对物理地址的间接调用

（2）release方法的作用正好与open相反，通过调用iounmap函数撤销device设备的虚拟地址映射，同时释放互斥锁，关闭设备。

（3）read方法主要完成用户空间和内核空间之间的数据拷贝。

read方法程序框架如下：

ssize_t device_read（struct file*filp， char*buf，size_t count，loff_t*offp）{

……

if（copy_to_user（buf，（u8*） &BUF， count））{……}//写数据给用户空间

return count；//返回成功读取的字节数}

其中，copy_to_user函数实现内核空间到用户空间的数据拷贝。应用程序调用该方法接口实现数据的接收。

（4）write方法的实现同read方法类似。通过调用copy_from_user函数实现用户空间到内核空间的数据拷贝。该方法接口实现数据的发送、LED和MOTO控制寄存器的设置。

3.5 驱动的装载和卸载

Linux驱动程序的编译加载有两种方式。一种是编译成模块在运行时加载，不需要重新启动内核，它使用insmod工具将驱动模块加载进内核，使用rmmod从内核中卸载模块。该方法实现如下：1）编译驱动并下载驱动到开发板：$ arm-linux-gcc device_driver.c-I/home/eflag/kernel/include/-c生成device_driver.o文件，通过tftp工具下载到开发板；2）驱动的加载：$ insmod device_driver.o。设备驱动的加载成功后，可以编写应用程序进行设备驱动的检测；3）驱动的卸载：$ rmmod device_driver。

另一种是将驱动程序静态编译进内核，再运行新的内核来测试驱动，该方法是在linux系统字符设备驱动文件夹linux/driver/char/中加入设备驱动源程序，同时修改makefile文件，重新编译内核，下载新内核到开发板，系统启动后自动加载设备驱动。在驱动加载成功后就可以对该驱动的设备进行读写等操作。

4.人机交互

人机交互需要开发人机交互应用程序，而应用程序的开发主要是系统函数的调用，如open（打开设备），read/write（读写设备），close（关闭设备）等。

Linux系统中设备作为文件被访问，对设备进行访问前需建立设备节点：

$mknod/dev/device_name c MAJOR MINOR

其中device_name是设备节点名，c是字符设备标志，MAJOR是主设备号，MINOR是次设备号。open函数使用/dev/device_name作为文件路径来打开设备。

5.总结

本文介绍了字符设备的驱动程序设计和响应应用程序的设计的一般方法为广大设计者提供一种思路。