嵌入式系统驱动程序研究及应用

罗志娟

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

嵌入式系统是电子技术及计算机技术完美结合的产物。Linux因可应用于多种硬件平台、内核高效稳定、软件资源丰富、源代码开放、网络通信和文件管理机制完善等特点，已成为最具优势的嵌入式操作系统。［1］在嵌入式Linux操作系统中，出于对内核的保护，用户一般不能直接访问物理硬件资源，需要调用驱动程序实现对外设的控制。嵌入式系统的开发，重点和难点就在于驱动程序的开发，设备驱动程序的不同正是各内核版本之间的主要区别。

1 嵌入式驱动程序

设备驱动程序作为机器硬件和操作系统内核之间的接口，屏蔽掉硬件的细节，而应用程序通过系统调用与操作系统内核连接，将硬件设备看成是一个设备文件，操作硬件设备时就像操作普通文件一样，如图1所示。

图1 两种不同形式的生命教育体系

Linux操作系统下主要有块设备和字符设备两种设备文件类型。［2］当字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O设备紧接着发生，如鼠标、键盘;而块设备不同，它利用一块系统内存作为缓冲区，只有当用户进程能满足用户对设备的请求，才会返回请求的数据，否则将调用请求函数来进行实际的输入输出操作，如硬盘。

Linux操作系统中，所有的设备文件都有文件属性、主设备号和从设备号。［3］其中文件属性用来区分设备类型(c表示字符设备，b表示块设备);主设备号用来标识驱动程序，从设备号标识同设备驱动程序下的不同硬件设备。值得注意的是，主设备号必须与登记设备驱动程序时申请的主设备号一致，否则用户进程无法访问驱动程序。用户进程通过设备文件就可以与实际的硬件通信了。

进行嵌入式系统的开发，只要用到操作系统，编写设备驱动程序就必不可少。嵌入式设备硬件种类异常丰富，虽然Linux内核源代码中已包含了很多的设备驱动程序，但仍不可能包括所有设备驱动，对于所需要的驱动程序，用户可以在硬件生产厂家或Internet上寻找，若找不到就要根据相近硬件的驱动程序来改写或重新编写。

2 驱动程序设计框架

2.1 驱动程序的基本工作原理

用户进程要与硬件打交道必须通过设备文件，而操作设备文件就是进行系统调用，数据结构file_operations在驱动程序与系统调用的关联过程中起着关键作用。［4］不同的内核版本，file_operations 结构存在着差异，file_operations的典型结构如下所示:

linux的设备驱动程序就是通过file_operations结构完成工作的。［5］它中间的每个成员都与一个系统调用相对应。当用户进程要操作设备文件时，系统调用利用其主设备号找到与之对应的驱动程序，同时获得file_operations中相应的函数指针，使该函数获得控制权。［6］因此，驱动程序开发的主要工作就是根据设备的需求，不断完善file_operations中的各个子函数。

2.2 驱动程序实例

给出一个简单的字符设备驱动程序(test_driver.c)实例，介绍字符设备驱动程序实现全过程。该设备名称为 test，主设备号为 240，驱动在Linux2.6内核中成功加载，并在长沙佳程科技公司提供的 VCM－L600税控收款机(采用三星S3C44B0芯片)上编写测试程序，调试成功。

2.2.1 主体程序编写

主体程序的编写实际上就是实现数据结构file_operations中某些子函数。本例中，当调用read时，函数read_test将被调用，它的作用是把1写进用户的缓冲区。其中，buf是用户进程空间的一个地址，read函数的一个参数，当read_test被调用时，系统进入了核心态，buf这个地址是不能直接使用的，要使用kernel提供的函数__put_user()把数据传送给用户。而且在向用户空间拷贝数据之前，还要利用verify_area函数验证buf是否可用。函数read_test具体实现如下:

2.2.2 模块加载与卸载

驱动程序可以按照动态加载编译成模块(modules)或静态编译进内核(kernel)两种方式编译。静态编译进内核时，内核一旦启动，驱动程序即将自动加载，这样不仅会增加内核大小，也会使得内核的源文件被改动，设备也无法动态卸载，极不利于调试。故一般最基本的核心代码编译进内核中，而其他的编译为内核的模块文件。为了方便设备的卸载，通常采用动态编译的方式。在动态编译过程中使用insmod命令将模块动态加载到正在运行的内核，不需要时使用rmmod命卸载模块。

在动态编译过程中，若要将模块调入内存，则需使用insmod命令调用函数module_init，向系统的字符设备表登记一个字符设备test。Linux系统中若要在系统中登记字符型设备，则要调用内核函数register_chrdev。它含有三个参数:第一个设备号，用户可以根据需要指定，本例中指定为240，若为0，系统返回一个尚未被占用的设备号，第二个设备文件名，第三个为该驱动入口点的文件操作结构指针。如果登记成功，返回设备的主设备号，设备名将会出现在/proc/devices文件里;否则返回一个负值。若要卸载模块，则要用rmmod命令调用函数module_exit，内核函数unregister_chrdev会将字符设备test在系统字符设备表中占有的表项释放。

3 驱动程序的添加与测试

3.1 驱动程序的添加

设备驱动程序编写完成后，下一步就要将该驱动程序添加至内核中。要将驱动成功添加至内核就必须修改Linux的源代码，然后将内核重新编译。驱动程序嵌入内核可分为以下六个步骤:

1)将驱动源文件(test_driver.c)复制到linux2.4drivercharvcmdrv目录下。该目录保存了Linux下字符设备的驱动程序。

2)修改上述目录下的makefile文件，在文件中添加语句:

obj－$(config_vcm600_TEST)+=vcmdrv/test_driver.o

在配置Linux内核时若选择了支持新定义的设备，该语句可使得编译内核时将源文件test_driver.c 编译成目标文件 test_driver.o。

3)修改该目录下的config.in文件，在comment character devices?语句后添加语句:

bool‘VCM －L600 test driver’CONFI6_VCM600_TEST

4)打开 vendors/Samsung/44B0/下 makefile文件，添加节点:

Test，C，240，0

5)修改vendors/Samsung/44B0/下 rc文件，实现挂载

6)编译内核，利用make menuconfig将驱动程序的目标文件(test_driver.o)生成于内核目录driver/char/vcmdrv下。

至此驱动程序被加载进内核，若在/romfs/dev目录中看到@test?.C.240.0，说明该驱动已成功加载。

3.2 测试

为进一步验证驱动程序成功加载进内核，可编写一应用程序调用该驱动。应用程序(test_apply.c)如下，该程序打开设备test，即调入test的驱动程序，通过驱动程序中定义的read函数读取10个1存入buf中，最后在终端打印buf中的数据。

#include ＜stdio.h＞ //stdio.h标准I/O 库，提供了带缓冲的文件操作功能

#include ＜sys/types.h＞//types.h中定义基本系统数据类型

#include ＜sys/stat.h＞ //stat.h 提供文件状态

#include ＜fcntl.h ＞ //fcntl.h定义了一组基于C的非缓冲的文件操作函数，实现对文件的控制

应用程序编写好后，需将源文件编译为目标文件，通常有两种方法:①利用编译命令arm－elfgcc －elf2flt －o test_driver test_driver.c，将源程序编译为目标文件;②写好makefile文件放在与驱动程序相同目录下，在命令行输入make命令编译。这里采用第二种方法，makefile文件如下:

执行make命令调用makefile文件，生成应用程序test_apply.c的目标文件 test_apply.o。Makefile文件中，将应用程序的目标文件放在了nfs中，便于实现挂载。

重新编译内核后，将加载了新驱动的内核打包并利用tftp命令下载至目标机中，即可进入minicom终端，运行程序，查看结果。

4 结论

通过介绍嵌入式Linux设备驱动程序的工作原理，以字符设备驱动程序为实例，简述了字符设备驱动程序开发的基本流程。虽然驱动程序的种类随着设备的增加而日益繁多，而且某些设备驱动程序的开发还需要中断服务，但驱动程序和内核之间有严格定义、管理的接口，所以其基本的结构和开发过程都是建立在规范的基础上的，各种驱动程序的结构和开发过程是一致的，熟悉了驱动开发的基本流程后，就可进行各种设备驱动程序的开发了。

［1］李俊.嵌入式 Linux设备驱动开发详解［M］.北京:人民邮电出版社，2008.

［2］张威，黄冲.嵌入式Linux设备驱动的设计方法研究［J］.江西师范大学学报(自然科学版)，2007，(7).

［3］戴明华，李长云，等.嵌入式Linux驱动程序框架研究综述［J］.长沙大学学报，2012，(3).

［4］曹颖鹏.基于嵌入式Linux驱动程序的研究与设计［D］.西安:西安电子科技大学，2010.

［5］如何编写 Linux设备驱动程序［EB/OL］.http://bbs.chinaunix.net/thread－2047152－1 －1.html

［6］王骁俊.RMLinux在嵌入式设备上的移植及驱动开发［D］上海:上海交通大学，2008.