設備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口，它為應用程序屏蔽硬件的細節(jié)，一般來說，Linux的設備驅(qū)動程序需要完成如下功能：

　　·設備初始化、釋放；

　　·提供各類設備服務；

　　·負責內(nèi)核和設備之間的數(shù)據(jù)交換；

　　·檢測和處理設備工作過程中出現(xiàn)的錯誤。

　　Linux下的設備驅(qū)動程序被組織為一組完成不同任務的函數(shù)的集合，通過這些函數(shù)使得Windows的設備操作猶如文件一般。在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以象操作普通文件一樣對硬件設備進行操作，如open ()、close ()、read ()、write () 等。

　　Linux主要將設備分為二類：字符設備和塊設備。字符設備是指設備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以字符的形式進行；而塊設備則以整個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的形式進行。在對字符設備發(fā)出讀/寫請求時，實際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了；而塊設備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū)，當用戶進程對設備請求能滿足用戶的要求，就返回請求的數(shù)據(jù)，如果不能，就調(diào)用請求函數(shù)來進行實際的I/O操作。塊設備主要針對磁盤等慢速設備。

　　1.內(nèi)存分配

　　由于Linux驅(qū)動程序在內(nèi)核中運行，因此在設備驅(qū)動程序需要申請/釋放內(nèi)存時，不能使用用戶級的malloc/free函數(shù)，而需由內(nèi)核級的函數(shù)kmalloc/kfree () 來實現(xiàn)，kmalloc()函數(shù)的原型為：

　　 void kmalloc (size_t size ,int priority);

　　參數(shù)size為申請分配內(nèi)存的字節(jié)數(shù)，kmalloc多只能開辟128k的內(nèi)存；參數(shù)priority說明若kmalloc()不能馬上分配內(nèi)存時用戶進程要采用的動作：

       GFP_KERNEL 表示等待，即等kmalloc()函數(shù)將一些內(nèi)存安排到交換區(qū)來滿足你的內(nèi)存需要，GFP_ATOMIC 表示不等待，如不能立即分配到內(nèi)存則返回0 值；函數(shù)的返回值指向已分配內(nèi)存的起始地址，出錯時，返回0。

　　kmalloc ()分配的內(nèi)存需用kfree()函數(shù)來釋放，kfree ()被定義為：

         # define kfree (n) kfree_s( (n) ,0)

　　其中kfree_s () 函數(shù)原型為：

         void kfree_s (void * ptr ,int size);

　　參數(shù)ptr為kmalloc()返回的已分配內(nèi)存的指針，size是要釋放內(nèi)存的字節(jié)數(shù)，若為0 時，由內(nèi)核自動確定內(nèi)存的大小。

　　2.中斷

　　許多設備涉及到中斷操作，因此，在這樣的設備的驅(qū)動程序中需要對硬件產(chǎn)生的中斷請求提供中斷服務程序。與注冊基本入口點一樣，驅(qū)動程序也要請求內(nèi)核將特定的中斷請求和中斷服務程序聯(lián)系在一起。在Linux中，用request_irq()函數(shù)來實現(xiàn)請求：

       int request_irq (unsigned int irq ,void( * handler) int ,unsigned long type ,char * nAME);

        參數(shù)irq為要中斷請求號，參數(shù)handler為指向中斷服務程序的指針，參數(shù)type 用來確定是正常中斷還是快速中斷（正常中斷指中斷服務子程序返回后，內(nèi)核可以執(zhí)行調(diào)度程序來確定將運行哪一個進程；而快速中斷是指中斷服務子程序返回后，立即執(zhí)行被中斷程序，正常中斷type 取值為0 ，快速中斷type 取值為SA_INTERRUPT），參數(shù)name是設備驅(qū)動程序的名稱。

　　4.塊設備驅(qū)動

　　塊設備驅(qū)動程序的編寫是一個浩繁的工程，其難度遠超過字符設備，上千行的代碼往往只能搞定一個簡單的塊設備，而數(shù)十行代碼就可能搞定一個字符設備。因此，非得有相當?shù)幕竟Σ拍芡瓿纱隧椆ぷ?。下面先給出一個實例，即mtdblock塊設備的驅(qū)動。我們通過分析此實例中的代碼來說明塊設備驅(qū)動程序的寫法（由于篇幅的關系，大量的代碼被省略，只保留了必要的主干）：

#include <Linux/config.h>
#include <Linux/devfs_fs_kernel.h>
static void mtd_notify_add(struct mtd_info* mtd);
static void mtd_notify_remove(struct mtd_info* mtd);
static struct mtd_notifier notifier = {
　mtd_notify_add,
　mtd_notify_remove,
　NULL
};
static devfs_handle_t devfs_dir_handle = NULL;
static devfs_handle_t devfs_rw_handle[MAX_MTD_DEVICES];

static struct mtdblk_dev {
　struct mtd_info *mtd; /* Locked */
　int count;
　struct semaphore cache_sem;
　unsigned char *cache_data;
　unsigned long cache_offset;
　unsigned int cache_size;
　enum { STATE_EMPTY, STATE_CLEAN, STATE_DIRTY } cache_state;
} *mtdblks[MAX_MTD_DEVICES];

static spinlock_t mtdblks_lock;
/* this lock is used just in kernels >= 2.5.x */
static spinlock_t mtdblock_lock;

static int mtd_sizes[MAX_MTD_DEVICES];
static int mtd_blksizes[MAX_MTD_DEVICES];

static void erase_callback(struct erase_info *done)
{
　wait_queue_head_t *wait_q = (wait_queue_head_t *)done->priv;
　wake_up(wait_q);
}

static int erase_write (struct mtd_info *mtd, unsigned long pos,
int len, const char *buf)
{
　struct erase_info erase;
　DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
　wait_queue_head_t wait_q;
　size_t retlen;
　int ret;

　/*
　* First, let's erase the flash block.
　*/

　init_waitqueue_head(&wait_q);
　erase.mtd = mtd;
　erase.callback = erase_callback;
　erase.addr = pos;
　erase.len = len;
　erase.priv = (u_long)&wait_q;

　set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
　add_wait_queue(&wait_q, &wait);

　ret = MTD_ERASE(mtd, &erase);
　if (ret) {
　　set_current_state(TASK_RUNNING);
　　remove_wait_queue(&wait_q, &wait);
　　printk (KERN_WARNING "mtdblock: erase of region [0x%lx, 0x%x] " "on /"%s/" failed/n",
pos, len, mtd->name);
　　return ret;
　}

　schedule(); /* Wait for erase to finish. */
　remove_wait_queue(&wait_q, &wait);

　/*
　* Next, writhe data to flash.
　*/

　ret = MTD_WRITE (mtd, pos, len, &retlen, buf);
　if (ret)
　　return ret;
　if (retlen != len)
　　return -EIO;
　return 0;
}

static int write_cached_data (struct mtdblk_dev *mtdblk)
{
　struct mtd_info *mtd = mtdblk->mtd;
　int ret;

　if (mtdblk->cache_state != STATE_DIRTY)
　　return 0;

　DEBUG(MTD_DEBUG_LEVEL2, "mtdblock: writing cached data for /"%s/" "
"at 0x%lx, size 0x%x/n", mtd->name,
mtdblk->cache_offset, mtdblk->cache_size);

　ret = erase_write (mtd, mtdblk->cache_offset,
mtdblk->cache_size, mtdblk->cache_data);
　if (ret)
　　return ret;

　mtdblk->cache_state = STATE_EMPTY;
　return 0;
}

static int do_cached_write (struct mtdblk_dev *mtdblk, unsigned long pos,
int len, const char *buf)
{
　…
}

static int do_cached_read (struct mtdblk_dev *mtdblk, unsigned long pos,
int len, char *buf)
{
　…
}

static int mtdblock_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
　…
}

static release_t mtdblock_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
　int dev;
　struct mtdblk_dev *mtdblk;
　DEBUG(MTD_DEBUG_LEVEL1, "mtdblock_release/n");

　if (inode == NULL)
　　release_return(-ENODEV);

　dev = minor(inode->i_rdev);
　mtdblk = mtdblks[dev];

　down(&mtdblk->cache_sem);
　write_cached_data(mtdblk);
　up(&mtdblk->cache_sem);

　spin_lock(&mtdblks_lock);
　if (!--mtdblk->count) {
　　/* It was the last usage. Free the device */
　　mtdblks[dev] = NULL;
　　spin_unlock(&mtdblks_lock);
　　if (mtdblk->mtd->sync)
　　　mtdblk->mtd->sync(mtdblk->mtd);
　　　put_mtd_device(mtdblk->mtd);
　　　vfree(mtdblk->cache_data);
　　　kfree(mtdblk);
　} else {
　　spin_unlock(&mtdblks_lock);
　}

　DEBUG(MTD_DEBUG_LEVEL1, "ok/n");
　
　BLK_DEC_USE_COUNT;
　release_return(0);
}

/*
* This is a special request_fn because it is executed in a process context
* to be able to sleep independently of the caller. The
* io_request_lock (for <2.5) or queue_lock (for >=2.5) is held upon entry
* and exit. The head of our request queue is considered active so there is
* no need to dequeue requests before we are done.
*/
static void handle_mtdblock_request(void)
{
　struct request *req;
　struct mtdblk_dev *mtdblk;
　unsigned int res;

　for (;;) {
　　INIT_REQUEST;
　　req = CURRENT;
　　spin_unlock_irq(QUEUE_LOCK(QUEUE));
　　mtdblk = mtdblks[minor(req->rq_dev)];
　　res = 0;

　　if (minor(req->rq_dev) >= MAX_MTD_DEVICES)
　　　panic("%s : minor out of bound", __FUNCTION__);

　　if (!IS_REQ_CMD(req))
　　　goto end_req;

　　if ((req->sector + req->current_nr_sectors) > (mtdblk->mtd->size >> 9))
　　　goto end_req;

　　// Handle the request
　　switch (rq_data_dir(req))
　　{
　　　int err;

　　　case READ:
　　　　down(&mtdblk->cache_sem);
　　　　err = do_cached_read (mtdblk, req->sector << 9,
req->current_nr_sectors << 9,
req->buffer);
　　　　up(&mtdblk->cache_sem);
　　　　if (!err)
　　　　　res = 1;
　　　　break;

　　　case WRITE:
　　　　// Read only device
　　　　if ( !(mtdblk->mtd->flags & MTD_WRITEABLE) )
　　　　　break;

　　　　// Do the write
　　　　down(&mtdblk->cache_sem);
　　　　err = do_cached_write (mtdblk, req->sector << 9,req->current_nr_sectors << 9, req->buffer);
　　　　up(&mtdblk->cache_sem);
　　　　if (!err)
　　　　　res = 1;
　　　　break;
　　}

　end_req:
　spin_lock_irq(QUEUE_LOCK(QUEUE));
　end_request(res);
}
}

static volatile int leaving = 0;
static DECLARE_MUTEX_LOCKED(thread_sem);
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(thr_wq);

int mtdblock_thread(void *dummy)
{
　…
}

#define RQFUNC_ARG request_queue_t *q

static void mtdblock_request(RQFUNC_ARG)
{
　/* Don't do anything, except wake the thread if necessary */
　wake_up(&thr_wq);
}

static int mtdblock_ioctl(struct inode * inode, struct file * file,
unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
　struct mtdblk_dev *mtdblk;
　mtdblk = mtdblks[minor(inode->i_rdev)];
　switch (cmd) {
　　case BLKGETSIZE: /* Return device size */
　　　return put_user((mtdblk->mtd->size >> 9), (unsigned long *) arg);

　　case BLKFLSBUF:
　　　if(!capable(CAP_SYS_ADMIN))
　　　　return -EACCES;
　　　fsync_dev(inode->i_rdev);
　　　invalidate_buffers(inode->i_rdev);
　　　down(&mtdblk->cache_sem);
　　　write_cached_data(mtdblk);
　　　up(&mtdblk->cache_sem);
　　　if (mtdblk->mtd->sync)
　　　　mtdblk->mtd->sync(mtdblk->mtd);
　　　　return 0;
　　default:
　　　return -EINVAL;
　}
}

static struct block_device_operations mtd_fops =
{
　owner: THIS_MODULE,
　open: mtdblock_open,
　release: mtdblock_release,
　ioctl: mtdblock_ioctl
};

static void mtd_notify_add(struct mtd_info* mtd)
{
　…
}

static void mtd_notify_remove(struct mtd_info* mtd)
{
　if (!mtd || mtd->type == MTD_ABSENT)
　　return;

　devfs_unregister(devfs_rw_handle[mtd->index]);
}

int __init init_mtdblock(void)
{
　int i;

　spin_lock_init(&mtdblks_lock);
　/* this lock is used just in kernels >= 2.5.x */
　spin_lock_init(&mtdblock_lock);

　#ifdef CONFIG_DEVFS_FS
　if (devfs_register_blkdev(MTD_BLOCK_MAJOR, DEVICE_NAME, &mtd_fops))
　{
　　printk(KERN_NOTICE "Can't allocate major number %d for Memory Technology Devices./n",
MTD_BLOCK_MAJOR);
　　return -EAGAIN;
　}

　devfs_dir_handle = devfs_mk_dir(NULL, DEVICE_NAME, NULL);
　register_mtd_user(&notifier);
　#else
　　if (register_blkdev(MAJOR_NR,DEVICE_NAME,&mtd_fops)) {
　　　printk(KERN_NOTICE "Can't allocate major number %d for Memory Technology Devices./n",
MTD_BLOCK_MAJOR);
　　return -EAGAIN;
　}
　#endif

/* We fill it in at open() time. */
for (i=0; i< MAX_MTD_DEVICES; i++) {
　mtd_sizes[i] = 0;
　mtd_blksizes[i] = BLOCK_SIZE;
}
init_waitqueue_head(&thr_wq);
/* Allow the block size to default to BLOCK_SIZE. */
blksize_size[MAJOR_NR] = mtd_blksizes;
blk_size[MAJOR_NR] = mtd_sizes;

BLK_INIT_QUEUE(BLK_DEFAULT_QUEUE(MAJOR_NR), &mtdblock_request, &mtdblock_lock);

kernel_thread (mtdblock_thread, NULL, CLONE_FS|CLONE_FILES|CLONE_SIGHAND);
return 0;
}

static void __exit cleanup_mtdblock(void)
{
　leaving = 1;
　wake_up(&thr_wq);
　down(&thread_sem);
　#ifdef CONFIG_DEVFS_FS
　　unregister_mtd_user(&notifier);
　　devfs_unregister(devfs_dir_handle);
　　devfs_unregister_blkdev(MTD_BLOCK_MAJOR, DEVICE_NAME);
　#else
　　unregister_blkdev(MAJOR_NR,DEVICE_NAME);
　#endif
　blk_cleanup_queue(BLK_DEFAULT_QUEUE(MAJOR_NR));
　blksize_size[MAJOR_NR] = NULL;
　blk_size[MAJOR_NR] = NULL;
}

module_init(init_mtdblock);
module_exit(cleanup_mtdblock);

　　從上述源代碼中我們發(fā)現(xiàn)，塊設備也以與字符設備register_chrdev、unregister_ chrdev 函數(shù)類似的方法進行設備的注冊與釋放：

int register_blkdev(unsigned int major, const char *name, struct block_device_operations *bdops);
int unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name);

　　但是，register_chrdev使用一個向 file_operations 結構的指針，而register_blkdev 則使用 block_device_operations 結構的指針，其中定義的open、release 和 ioctl 方法和字符設備的對應方法相同，但未定義 read 或者 write 操作。這是因為，所有涉及到塊設備的 I/O 通常由系統(tǒng)進行緩沖處理。

　　塊驅(qū)動程序終必須提供完成實際塊 I/O 操作的機制，在 Linux 當中，用于這些 I/O 操作的方法稱為"request（請求）"。在塊設備的注冊過程中，需要初始化request隊列，這一動作通過blk_init_queue來完成，blk_init_queue函數(shù)建立隊列，并將該驅(qū)動程序的 request 函數(shù)關聯(lián)到隊列。在模塊的清除階段，應調(diào)用 blk_cleanup_queue 函數(shù)。

　　本例中相關的代碼為：

       BLK_INIT_QUEUE(BLK_DEFAULT_QUEUE(MAJOR_NR), &mtdblock_request, &mtdblock_lock);
blk_cleanup_queue(BLK_DEFAULT_QUEUE(MAJOR_NR));

　　每個設備有一個默認使用的請求隊列，必要時，可使用 BLK_DEFAULT_QUEUE(major) 宏得到該默認隊列。這個宏在 blk_dev_struct 結構形成的全局數(shù)組（該數(shù)組名為 blk_dev）中搜索得到對應的默認隊列。blk_dev 數(shù)組由內(nèi)核維護，并可通過主設備號索引。blk_dev_struct 接口定義如下：

struct blk_dev_struct {
　/*
　* queue_proc has to be atomic
　*/
　request_queue_t request_queue;
　queue_proc *queue;
　void *data;
};

　　request_queue 成員包含了初始化之后的 I/O 請求隊列，data 成員可由驅(qū)動程序使用，以便保存一些私有數(shù)據(jù)。

　　request_queue定義為：

struct request_queue
{
　/*
　* the queue request freelist, one for reads and one for writes
　*/
　struct request_list rq[2];

　/*
　* Together with queue_head for cacheline sharing
　*/
　struct list_head queue_head;
　elevator_t elevator;

　request_fn_proc * request_fn;
　merge_request_fn * back_merge_fn;
　merge_request_fn * front_merge_fn;
　merge_requests_fn * merge_requests_fn;
　make_request_fn * make_request_fn;
　plug_device_fn * plug_device_fn;
　/*
　* The queue owner gets to use this for whatever they like.
　* ll_rw_blk doesn't touch it.
　*/
　void * queuedata;

　/*
　* This is used to remove the plug when tq_disk runs.
　*/
　struct tq_struct plug_tq;

　/*
　* Boolean that indicates whether this queue is plugged or not.
　*/
　char plugged;

　/*
　* Boolean that indicates whether current_request is active or
　* not.
　*/
　char head_active;

　/*
　* Is meant to protect the queue in the future instead of
　* io_request_lock
　*/
　spinlock_t queue_lock;

　/*
　* Tasks wait here for free request
　*/
　wait_queue_head_t wait_for_request;
};

　　下圖表征了blk_dev、blk_dev_struct和request_queue的關系：

　　下圖則表征了塊設備的注冊和釋放過程：

　　5.小結

　　本章講述了Linux設備驅(qū)動程序的入口函數(shù)及驅(qū)動程序中的內(nèi)存申請、中斷等，并分別以實例講述了字符設備及塊設備的驅(qū)動開發(fā)方法。

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