Linux设备驱动开发详解(第2版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:华清远见嵌入式培训中心宋宝华编著

出版社:人民邮电出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

Linux设备驱动开发详解(第2版)

Linux设备驱动开发详解(第2版)试读:

第1章 Linux设备驱动概述及开发环境构建

本章导读

本章将介绍Linux设备驱动开发的基本概念,并对本书所基于的平台和开发环境进行讲解。

1.1节阐明了设备驱动的概念和作用。

1.2节和1.3节分别讲解在无操作系统情况下和有操作系统情况下设备驱动的设计,通过对两者不同的分析讲解设备驱动与硬件和操作系统的关系。

1.4节对Linux操作系统的设备驱动进行了概要性的介绍,给出了设备驱动与整个软硬件系统的关系,分析了Linux设备驱动的重点、难点和学习方法。

1.5节对本书所基于的LDD6410 ARM11开发板和开发环境的安装进行了介绍。

本章的最后给出了一个设备驱动的“Hello World”实例,即最简单的LED驱动在无操作系统情况下和Linux操作系统下的实现。

1.1 设备驱动的作用

任何一个计算机系统的运转都是系统中软硬件共同努力的结果,没有硬件的软件是空中楼阁,而没有软件的硬件则只是一堆废铁。硬件是底层基础,是所有软件得以运行的平台,代码最终会落实为硬件上的组合逻辑与时序逻辑。软件则实现了具体应用,它按照各种不同的业务需求而设计,完成了用户的最终诉求。硬件较固定,软件则很灵活,可以适应各种复杂多变的应用。可以说,计算机系统的软硬件互相成就了对方。

但是,软硬件之间同样存在着悖论,那就是软件和硬件不应该互相渗透入对方的领地。为尽可能快速地完成设计,应用软件工程师不想也不必关心硬件,而硬件工程师也难有足够的闲暇和能力来顾及软件。譬如,应用软件工程师在调用套接字发送和接收数据包的时候,不必关心网卡上的中断、寄存器、存储空间、I/O端口、片选以及其他任何硬件词汇;在使用printf()函数输出信息的时候,他不用知道底层究竟是怎样把相应的信息输出到屏幕或者串口。

也就是说,应用软件工程师需要看到一个没有硬件的纯粹的软件世界,硬件必须被透明地呈现给他。谁来实现硬件对应用软件工程师的隐形?这个光荣而艰巨的任务就落在了驱动工程师的头上。

对设备驱动最通俗的解释就是“驱使硬件设备行动”。驱动与底层硬件直接打交道,按照硬件设备的具体工作方式,读写设备的寄存器,完成设备的轮询、中断处理、DMA通信,进行物理内存向虚拟内存的映射等,最终让通信设备能收发数据,让显示设备能显示文字和画面,让存储设备能记录文件和数据。

由此可见,设备驱动充当了硬件和应用软件之间的纽带,它使得应用软件只需要调用系统软件的应用编程接口(API)就可让硬件去完成要求的工作。在系统中没有操作系统的情况下,工程师可以根据硬件设备的特点自行定义接口,如对串口定义SerialSend()、SerialRecv(),对LED定义LightOn()、LightOff(),对Flash定义FlashWrite()、FlashRead()等。而在有操作系统的情况下,驱动的架构则由相应的操作系统定义,驱动工程师必须按照相应的架构设计驱动,这样,驱动才能良好地整合入操作系统的内核。

驱动程序沟通着硬件和应用软件,而驱动工程师则沟通着硬件工程师和应用软件工程师。目前,随着通信、电子行业的迅速发展,全世界每天都会有大量的新芯片被生产,大量的新电路板被设计,也因此,会有大量设备驱动需要开发。这些驱动,或运行在简单的单任务环境,或运行在VxWorks、Linux、Windows等多任务操作系统环境,发挥着不可替代的作用。

1.2 无操作系统时的设备驱动

并不是任何一个计算机系统都一定要运行操作系统,在许多情况下,操作系统都不必存在。对于功能比较单一、控制并不复杂的系统,譬如ASIC内部、公交车的刷卡机、电冰箱、微波炉、简单的手机和小灵通等,并不需要多任务调度、文件系统、内存管理等复杂功能,用单任务架构完全可以良好地支持它们的工作。一个无限循环中夹杂对设备中断的检测或者对设备的轮询是这种系统中软件的典型架构,如代码清单1.1。

代码清单1.1 单任务软件典型架构

1 int main(int argc, char* argv[])2 {3 while (1)4 {5 if (serialInt == 1)6 /*有串口中断*/7 {8 ProcessSerialInt(); /*处理串口中断*/9 serialInt = 0; /*中断标志变量清0*/10 }11 if (keyInt == 1)12 /*有按键中断*/13 {14 ProcessKeyInt(); /*处理按键中断*/15 keyInt = 0; /*中断标志变量清0*/16 }17 status = CheckXXX();18 switch (status)19 {20 ...21 }22 ...23 }24 }

在这样的系统中,虽然不存在操作系统,但是设备驱动则无论如何都必须存在。一般情况下,每一种设备驱动都会定义为一个软件模块,包含.h文件和.c文件,前者定义该设备驱动的数据结构并声明外部函数,后者进行驱动的具体实现。譬如,可以如代码清单1.2那样定义一个串口的驱动。

代码清单1.2 无操作系统情况下串口的驱动

1 /**********************2 *serial.h文件3 **********************/4 extern void SerialInit(void);5 extern void SerialSend(const char buf*,int count);6 extern void SerialRecv(char buf*,int count);78 /**********************9 *serial.c文件10 **********************/11 /*初始化串口*/12 void SerialInit(void)13 {14 ...15 }16 /*串口发送*/17 void SerialSend(const char buf*,int count)18 {19 ...20 }21 /*串口接收*/

22 void SerialRecv(char buf*,int count)23 {24 ...25 }26 /*串口中断处理函数*/27 void SerialIsr(void)28 {29 ...30 serialInt = 1;31 }

其他模块想要使用这个设备的时候,只需要包含设备驱动的头文件serial.h,然后调用其中的外部接口函数。如我们要从串口上发送“Hello World”字符串,使用语句SerialSend(“Hello World”,11)即可。

由此可见,在没有操作系统的情况下,设备驱动的接口被直接提交给了应用软件工程师,应用软件没有跨越任何层次就直接访问了设备驱动的接口。驱动包含的接口函数也与硬件的功能直接吻合,没有任何附加功能。图1.1所示为无操作系统情况下硬件、驱动与应用软件的关系。

有的工程师把单任务系统设计成了如图1.2所示的结构,即设备驱动和具体的应用软件模块之间平等,驱动中包含了业务层面上的处理,这显然是不合理的,不符合软件设计中高内聚、低耦合的要求。图1.1 无操作系统时硬件、驱动和应用软件的关系

另一种不合理的设计是直接在应用中操作硬件的寄存器,而不单独设计驱动模块,如图1.3所示。这种设计意味着系统中不存在或未能充分利用可被重用的驱动代码。图1.2 驱动与应用高耦合的不合理设计图1.3 应用直接访问硬件的不合理设计

1.3 有操作系统时的设备驱动

1.2节中我们看到一个干净利落的设备驱动,它直接运行在硬件之上,不与任何操作系统关联。当系统中包含操作系统后,设备驱动会变得怎样?

首先,无操作系统时设备驱动的硬件操作工作仍然是必不可少的,没有这一部分,驱动不可能与硬件打交道。

其次,我们还需要将驱动融入内核。为了实现这种融合,必须在所有设备的驱动中设计面向操作系统内核的接口,这样的接口由操作系统规定,对一类设备而言结构一致,独立于具体的设备。

由此可见,当系统中存在操作系统的时候,驱动变成了连接硬件和内核的桥梁。如图1.4,操作系统的存在势必要求设备驱动附加更多的代码和功能,把单一的“驱使硬件设备行动”变成了操作系统内与硬件交互的模块,它对外呈现为操作系统的API,不再给应用软件工程师直接提供接口。

那么我们要问,有了操作系统之后,驱动反而变得复杂,那要操作系统干什么?

首先,一个复杂的软件系统需要处理多个并发的任务,没有操作系统,想完成多任务并发是很困难的。

其次,操作系统给我们提供内存管理机制。一个典型的例子是,对于多数含MMU的处理器而言,Windows、Linux等操作系统可以让每个进程都可以独立地访问4GB的内存空间。

上述优点似乎并没有体现在设备驱动身上,操作系统的存在给设备驱动究竟带来了什么实质的好处?

简而言之,操作系统通过给驱动制造麻烦来达到给上层应用提供便利的目的。当驱动都按照操作系统给出的独立于设备的接口而设计,那么,应用程序将可使用统一的系统调用接口来访问各种设备。对于类UNIX的VxWorks、Linux等操作系统而言,当应用程序通过write()、read()等函数读写文件就可访问各种字符设备和块设备,而不论设备的具体类型和工作方式,那将是怎样的便利?图1.4 硬件、驱动、操作系统和应用程序的关系

1.4 Linux设备驱动

1.4.1 设备的分类及特点

计算机系统的硬件主要由CPU、存储器和外设组成。随着IC制作工艺的发展,目前,芯片的集成度越来越高,往往在CPU内部就集成了存储器和外设适配器。譬如,相当多的ARM、PowerPC、MIPS等处理器都集成了UART、I2C控制器、USB控制器、SDRAM控制器等,有的处理器还集成了片内RAM和Flash。

驱动针对的对象是存储器和外设(包括CPU内部集成的存储器和外设),而不是针对CPU核。Linux将存储器和外设分为3个基础大类。

● 字符设备。

● 块设备。

● 网络设备。

字符设备指那些必须以串行顺序依次进行访问的设备,如触摸屏、磁带驱动器、鼠标等。块设备可以用任意顺序进行访问,以块为单位进行操作,如硬盘、软驱等。字符设备不经过系统的快速缓冲,而块设备经过系统的快速缓冲。但是,字符设备和块设备并没有明显的界限,如对于Flash设备,符合块设备的特点,但是我们仍然可以把它作为一个字符设备来访问。

字符设备和块设备的驱动设计呈现出很大的差异,但是对于用户而言,他们都使用文件系统的操作接口open()、close()、read()、write()等进行访问。

在Linux系统中,网络设备面向数据包的接收和发送而设计,它并不对应于文件系统的节点。内核与网络设备的通信与内核和字符设备、网络设备的通信方式完全不同。

另外一种设备分类方法中所称的I2C驱动、USB驱动、PCI驱动、LCD驱动等本身可归纳入3个基础大类,但是对于这些复杂的设备,Linux也定义了独特的驱动体系结构。

1.4.2 Linux设备驱动与整个软硬件系统的关系

如图1.5所示,除网络设备外,字符设备与块设备都被映射到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()等即可访问字符设备和块设备。所有的字符设备和块设备都被统一地呈现给用户。块设备比字符设备复杂,在它上面会首先建立一个磁盘/Flash文件系统,如FAT、EXT3、YAFFS2、JFFS2、UBIFS等。FAT、EXT3、YAFFS2、JFFS2、UBIFS定义了文件和目录在存储介质上的组织。图1.5 Linux设备驱动与整个软硬件系统的关系

应用程序可以使用Linux的系统调用接口编程,但也可使用C库函数,出于代码可移植性的目的,后者更值得推荐。C库函数本身也通过系统调用接口而实现,如C库函数fopen()、fwrite()、 fread()、fclose()分别会调用操作系统的API open()、write()、read()、close()。

1.4.3 Linux设备驱动的重点、难点

Linux设备驱动的学习是一项浩繁的工程,包含如下的重点、难点。

● 编写Linux设备驱动要求工程师有非常好的硬件基础,懂得SRAM、Flash、SDRAM、磁盘的读写方式,UART、I2C、USB等设备的接口以及轮询、中断、DMA的原理,PCI总线的工作方式以及CPU的内存管理单元(MMU)等。

● 编写Linux设备驱动要求工程师有非常好的C语言基础,能灵活地运用C语言的结构体、指针、函数指针及内存动态申请和释放等。

● 编写Linux设备驱动要求工程师有一定的Linux内核基础,虽然并不要求工程师对内核各个部分有深入的研究,但至少要明白驱动与内核的接口。尤其是对于块设备、网络设备、Flash设备、串口设备等复杂设备,内核定义的驱动体系架构本身就非常复杂。

● 编写Linux设备驱动要求工程师有非常好的多任务并发控制和同步的基础,因为在驱动中会大量使用自旋锁、互斥、信号量、等待队列等并发与同步机制。

上述经验值的获取并非朝夕之事,因此要求我们有足够的学习恒心和毅力。对这些重点、难点,本书都会有相应章节进行讲解。

动手实践永远是学习任何软件开发的最好方法,学习Linux设备驱动也不例外。因此,本书专门配备了一款基于S3C6410的ARM11开发板LDD6410(全称Linux Device Drivers 6410,即Linux设备驱动开发6410专用板),本书中的所有实例均可在该电路板上直接执行。

阅读经典书籍和参与Linux社区的讨论也是非常好的学习方法。Linux内核源代码中包含了一个Documentation目录,其中包含了一批内核设计的文档,全部是文本文件。很遗憾,这些文档的组织不太好,内容也不够细致。本书的参考目录中给出了一些优秀的参考书籍和Linux网站,并进行了简单的介绍。

学习Linux设备驱动的一个注意事项是要避免管中窥豹、只见树木不见森林,因为各类Linux设备驱动都从属于一个Linux设备驱动的架构,单纯而片面地学习几个函数、几个数据结构是不可能理清驱动中各组成部分之间的关系的。因此,Linux驱动的分析方法是点面结合,将对函数和数据结构的理解放在整体架构的背景之中。这是本书各章节讲解驱动的方法。

1.5 Linux设备驱动开发环境构建

1.5.1 PC上的Linux环境

本书配套光盘提供了一个Ubuntu的VirtualBox虚拟机映像,该虚拟机上安装了所有本书涉及的源代码、工具链和各种开发工具,读者无需再安装和配置任何环境。该虚拟机可运行于Windows等操作系统中,运行方法如下。(1)解压缩安装盘内的虚拟机磁盘映像virtual-disk.rar到本地硬盘得到virtual-disk.vdi(至少需要16GB的空闲磁盘空间)。(2)安装安装盘内的VirtualBox虚拟机软件。(3)建立一个虚拟机。

① 单击“新建”按钮,指定虚拟机使用Linux Ubuntu系统,如图1.6所示。图1.6 VirtualBox指定使用Ubuntu

② 单击“下一步”按钮,如图1.7所示,使用推荐的内存384MB。图1.7 VirtualBox中内存设定

③ 指定虚拟机磁盘映像为第一步解压缩得到的virtual-disk.vdi,如图1.8所示。图1.8 VirtualBox中磁盘设定

④ 完成设置,如图1.9所示。

之后就可以启动虚拟机,账号和密码都是“lihacker”。本书配套源代码都位于lihacker主目录的develop目录下,几个主要项目针对/home/lihacker/develop/的子目录如下。

LDD6410开发板内核源代码:svn/ldd6410-2-6-28-read-only/linux-2.6.28-samsung。

LDD6410开发板U-BOOT源代码:svn/ldd6410-read-only/s3c-u-boot-1.1.6。图1.9 VirtualBox中完成设定

LDD6410开发板文件系统用的busybox、jpegview、mplayer、appweb等:svn/ldd6410-readonly/utils。

LDD6410开发板及常用Linux用户空间驱动测试程序:svn/ldd6410-read-only/tests。

书中globalmem、globalfifo等驱动实例:svn/ldd6410-read-only/training/kernel。

Android的源代码:git/myandroid。

NDK:android-ndk-r3。

eclipse:单击桌面上的“android-eclipse”图标,即可运行附带ADT的eclipse开发工具。

1.5.2 LDD6410开发板

LDD6410是本书专配的一款高端ARM11处理器开发板(其结构如图1.10所示,实物如图1.11所示),采用三星公司最新推出S3C6410处理器,芯片拥有强大的内部资源和视频处理能力,板上集成了丰富的外围接口,其主要特点如下。(1)运行于533MHz的ARM11处理器(最高主频可达到667MHz)。(2)运行于266MHz的DDR内存,128MB。(3)1MB NOR Flash。(4)256MB NAND Flash。(5)WM9714 AC97声卡。(6)VGA输出接口(可达1024×768@60Hz)。(7)TV输出接口。(8)USB 2.0 OTG接口及USB 1.1 host接口。图1.10 LDD6410的结构图图1.11 LDD6410实物图(9)SD/SDIO接口,支持SD卡和SDIO设备。(10)DM9000百兆网卡。(11)4.3寸LCD(分辨率为480×272)、触摸屏。(12)S3C6410芯片内嵌图形加速,JPEG、多媒体编解码。(13)6个GPIO按键。(14)可扩展Camera、WiFi、3G modem等模块。(15)可扩展外部矩阵键盘。

配套电路板提供了如下软件。(1)工具链:提供了arm-linux-gcc、arm-linux-gdb、gdbserver、strace用于Android开发的eclipse(带ADT插件)、JDK和NDK。(2)U-BOOT:U-BOOT源代码包含独立的LDD6410文件,支持从SD卡、NAND启动,支持DM9000网卡引导。(3)Linux内核、BSP和驱动:Linux 2.6.28内核、源代码,包含独立的LDD6410 BSP和完整的设备驱动。(4)文件系统:基于新版Busybox 1.15.1,文件系统集成jpegview、mplayer、appweb等大量应用,集成了按键、鼠标、触摸屏、LCD等测试程序,作为驱动的用户应用案例。(5)Android:提供Android源代码和文件系统、内核电源管理补丁源代码、内核Android驱动源代码。LDD6410的Android系统支持按键、触摸屏和鼠标操作,支持使用LCD和VGA进行显示。(6)QT:LDD6410支持Qt/Embedded 4.5.3,移植了Ts_lib和Tslib, ts_calibration,支持使用触摸屏进行操作。

LDD6410支持从SD卡或NAND启动,通过电路板上的SW1可设置LDD6410的启动模式。从SD卡启动设备为全ON;从NAND启动时,将1、2设置为ON,3、4设置为OFF。

LDD6410开发板的详细使用方法,请见配套光盘中的“LDD6410开发板用户手册”。

1.5.3 工具链安装

本书配套光盘的虚拟机映像中已经安装好了LDD6410的工具链,读者如果想在其他环境中安装,只需要从http://ldd6410.googlecode.com/files/cross­4.2.2­eabi.tar.tpzz2下载。LDD6410开发板工具链为S3C6410X­ToolChain4.2.2­EABI­V0.0­cross­4.2.2­eabi.tar。安装步骤如下。(1)解压上述工具链获得文件夹:4.2.2-eabi/。(2)在/usr/local/下面创建目录 arm/(注意,最好是放到这个目录,不然在以后的编译过程中可能出现一些错误)。(3)将目录 4.2.2-eabi/移动到/usr/local/arm/下面。(4)设置环境变量。

编辑/etc/profile 文件,在文件末尾添加:

PATH="$PATH:/usr/local/arm/4.2.2-eabi/usr/bin"export PATH

使环境变量生效,在终端输入命令:

source /etc/profile

另外,也可以通过修改home目录的.bashrc来将/usr/local/arm/4.2.2-eabi/usr/bin添加到PATH:

export PATH=/usr/local/arm/4.2.2-eabi/usr/bin/:$PATH(5)测试环境变量是否设置成功。

在终端输入:echo $PATH,如果输出的路径中包含了/usr/local/arm/4.2.2-eabi/usr/bin,则说明环境变量设置成功。(6)测试交叉编译工具链。

在终端输入“arm-linux-gcc –v”,显示如下:

Using built-in specs.Target: arm-unknown-linux-gnueabiConfigured with:/home/scsuh/workplace/coffee/buildroot-20071011/toolchain_build_arm/gcc-4.2.2/configure --prefix=/usr --build=i386-pc-linux-gnu --host=i386-pc-linux-gnu--target=arm-unknown-linux-gnueabi --enable-languages=c,c++ --with-sysroot=/usr/local/arm/4.2.2-eabi/ --with-build-time-tools=/usr/local/arm/4.2.2-eabi//usr/arm-unknown-linuxgnueabi/bin --disable-cxa_atexit --enable-target-optspace --with-gnu-ld --enable-shared

--with-gmp=/usr/local/arm/4.2.2-eabi/gmp --with-mpfr=/usr/local/arm/4.2.2-eabi//mpfr--disable-nls --enable-threads --disable-multilib --disable-largefile --with-arch=armv4t--with-float=soft --enable-cxx-flags=-msoft-floatThread model: posix gcc version 4.2.2

说明交叉编译工具链已经安装成功。

ldd6410-debug-tools.tar.gz调试工具包包含了strace、gdbserver和arm-linux-gdb,其中 strace、gdbserver用于目标板文件系统,arm-linux-gdb 运行于主机端,对目标板上的内核、内核模块应用程序进行调试。

下载地址为http://ldd6410.googlecode.com/files/ldd6410-debug-tools.tar.gz,光盘目录为toolchains/ ldd6410-debug-tools.tar.gz。

解压ldd6410-debug-tools.tar.gz,将其中的arm-linux-gdb放入主机上arm-linux-gcc所在的目录/usr/local/arm/4.2.2-eabi/usr/bin/。

而 strace、gdbserver则可根据需要放入目标机根文件系统的/usr/sbin目录。

1.5.4 主机端nfs和tftp服务安装

本书配套光盘的虚拟机映像中已经安装好了nfs和tftp,LDD6410可使用tftp或nfs文件系统与主机通过网口交互。如果用户想在其他环境下自行安装,对于Ubuntu或Debian用户而言,在主机端可通过如下方法安装tftp服务:

sudo apt­get install tftpd­hpa

开启tftp服务:

sudo /etc/init.d/tftpdhpa startStarting HPA's tftpd: in.tftpd.

对于Ubuntu或Debian用户而言,在主机端可通过如下方法安装nfs服务:

apt-get install nfs-kernel-serversudo mkdir /home/nfssudo chmod 777 /home/nfs

运行“sudo vim /etc/exports”或“sudo gedit /etc/exports”,修改该文件内容为:

/home/nfs *(sync,rw)

运行exportfs rv开启NFS服务:

/etc/init.d/nfs-kernel-server restart

1.5.5 源代码阅读和编辑

源代码是学习Linux的最权威资料,在Windows上阅读Linux源代码的最佳工具是Source Insight,在其中建立一个工程,并将Linux的所有源代码加入该工程,同步这个工程之后,我们将可以非常方便地在代码之间进行关联阅读,如图1.12所示。

网站http://lxr.linux.no/提供了内核版本2.6.11到最新版Linux源代码的交叉索引,在其中输入Linux内核中的函数、数据结构或变量的名称就可以直接得到以超链接形式给出的定义和引用它的所有位置。还有一些网站也提供了Linux内核中函数、变量和数据结构的搜索能力,在google中搜索“linux identifier search”可得。

在Linux主机上阅读和编辑Linux源码的常用方式是vim + cscope或者vim + ctags,vim是一个文本编辑器,而cscope和ctags则可建立代码索引,建议读者尽快使用基于文本界面全键盘操作的vim编辑器,如图1.13所示。图1.12 在Source Insight中阅读Linux源代码图1.13 vim编辑器

1.6 设备驱动Hello World:LED驱动

1.6.1 无操作系统时的LED驱动

在嵌入式系统的设计中,LED一般直接由CPU的GPIO(通用可编程I/O口)控制。GPIO一般由两组寄存器控制,即一组控制寄存器和一组数据寄存器。控制寄存器可设置GPIO口的工作方式为输入或是输出。当引脚被设置为输出时,向数据寄存器的对应位写入1和0会分别在引脚上产生高电平和低电平;当引脚设置为输入时,读取数据寄存器的对应位可获得引脚上的电平为高或低。

在本例子中,我们屏蔽具体CPU的差异,假设在GPIO_REG_CTRL物理地址处的控制寄存器处的第n位写入1可设置GPIO为输出,在地址GPIO_REG_DATA物理地址处的数据寄存器的第n位写入1或0可在引脚上产生高或低电平,则无操作系统的情况下,设备驱动为代码清单1.3。

代码清单1.3 无操作系统时的LED驱动

1 #define reg_gpio_ctrl *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_CTRL))2 #define reg_gpio_data *(volatile int *)(ToVirtual(GPIO_REG_DATA))3 /*初始化LED*/4 void LightInit(void)5 {6 reg_gpio_ctrl |= (1 << n); /*设置GPIO为输出*/7 }89 /*点亮LED*/10 void LightOn(void)11 {12 reg_gpio_data |= (1 << n); /*在GPIO上输出高电平*/13 }1415 /*熄灭LED*/16 void LightOff(void)17 {18 reg_gpio_data &= ~(1 << n); /*在GPIO上输出低电平*/19 }

上述程序中的LightInit()、LightOn()、LightOff()都直接作为驱动提供给应用程序的外部接口函数。程序中ToVirtual()的作用是当系统启动了硬件MMU之后,根据物理地址和虚拟地址的映射关系,将寄存器的物理地址转化为虚拟地址。

1.6.2 Linux下的LED驱动

在Linux下,可以使用字符设备驱动的框架来编写对应于代码清单1.3的LED设备驱动(这里仅仅是为了讲解的方便,到后文我们会发现,内核中实际实现了一个提供sysfs结点的GPIO LED驱动,位于drivers/leds/leds-gpio.c),操作硬件的LightInit()、LightOn()、LightOff()函数仍然需要,但是,遵循Linux编程的命名习惯,重新将其命名为light_init()、light_on()、light_off()。这些函数将被LED设备驱动中独立于设备的针对内核的接口进行调用,代码清单1.4给出了Linux下LED的驱动,此时读者并不需要能读懂这些代码。

代码清单1.4 Linux操作系统下LED的驱动

1 #include .../*包含内核中的多个头文件*/

2 /*设备结构体*/3 struct light_dev {4 struct cdev cdev; /*字符设备cdev结构体*/

5 unsigned char vaule; /*LED亮时为1,熄灭时为0,用户可读写此值*/6 };

7 struct light_dev *light_devp;8 int light_major = LIGHT_MAJOR;

9 MODULE_AUTHOR("Barry Song <21cnbao@gmail.com>");10 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");11 /*打开和关闭函数*/12 int light_open(struct inode *inode, struct file *filp)13 {14 struct light_dev *dev;15 /* 获得设备结构体指针 */16 dev = container_of(inode->i_cdev, struct light_dev, cdev);17 /* 让设备结构体作为设备的私有信息 */18 filp->private_data = dev;19 return 0;20 }

21 int light_release(struct inode *inode, struct file *filp)22 {23 return 0;24 }25 /*读写设备:可以不需要 */26 ssize_t light_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count,27 loff_t *f_pos)28 {29 struct light_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体 */30 if (copy_to_user(buf, &(dev->value), 1))31 return -EFAULT;

32 return 1;33 }34 ssize_t light_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count,35 loff_t *f_pos)36 {37 struct light_dev *dev = filp->private_data;

38 if (copy_from_user(&(dev->value), buf, 1))39 return -EFAULT;

40 /*根据写入的值点亮和熄灭LED*/41 if (dev->value == 1)42 light_on();43 else44 light_off();45 return 1;46 }

47 /* ioctl函数 */48 int light_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd,49 unsigned long arg)

50 {51 struct light_dev *dev = filp->private_data;

52 switch (cmd) {53 case LIGHT_ON:54 dev->value = 1;55 light_on();56 break;57 case LIGHT_OFF:58 dev->value = 0;59 light_off();60 break;61 default:62 /* 不能支持的命令 */63 return -ENOTTY;64 }

65 return 0;66 }

67 struct file_operations light_fops = {68 .owner = THIS_MODULE,69 .read = light_read,70 .write = light_write,71 .ioctl = light_ioctl,72 .open = light_open,73 .release = light_release,74 };

75 /*设置字符设备cdev结构体*/76 static void light_setup_cdev(struct light_dev *dev, int index)77 {78 int err, devno = MKDEV(light_major, index);79 cdev_init(&dev->cdev, &light_fops);80 dev->cdev.owner = THIS_MODULE;81 dev->cdev.ops = &light_fops;82 err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);83 if (err)84 printk(KERN_NOTICE "Error %d adding LED%d", err, index);85 }

86 /*模块加载函数*/87 int light_init(void)88 {89 int result;90 dev_t dev = MKDEV(light_major, 0);91 /* 申请字符设备号*/92 if (light_major)93 result = register_chrdev_region(dev, 1, "LED");94 else {95 result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "LED");96 light_major = MAJOR(dev);97 }98 if (result < 0)99 return result;

100 /* 分配设备结构体的内存 */101 light_devp = kmalloc(sizeof(struct light_dev), GFP_KERNEL);102 if (!light_devp) {103 result = -ENOMEM;104 goto fail_malloc;105 }106 memset(light_devp, 0, sizeof(struct light_dev));107 light_setup_cdev(light_devp, 0);108 light_gpio_init();109 return 0;

110 fail_malloc:111 unregister_chrdev_region(dev, light_devp);112 return result;113 }

114 /*模块卸载函数*/115 void light_cleanup(void)116 {117 cdev_del(&light_devp->cdev); /*删除字符设备结构体*/118 kfree(light_devp); /*释放在light_init中分配的内存*/119 unregister_chrdev_region(MKDEV(light_major, 0), 1); /*删除字符设备*/120 }

121 module_init(light_init);122 module_exit(light_cleanup);

上述代码的行数与代码清单1.3已经不能比拟,除了代码清单1.3中的硬件操作函数仍然需要外,代码清单1.4中还包含了大量对我们暂时陌生的元素,如结构体file_operations、cdev,Linux内核模块声明用的MODULE_AUTHOR、MODULE_LICENSE、module_init、module_exit,以及用于字符设备注册、分配和注销用的函数register_chrdev_region()、alloc_chrdev_region()、unregister_chrdev_region()等。我们也不能理解为什么驱动中要包含light_init ()、light_cleanup ()、light_read()、light_write()等函数。

此时,我们只需要有一个感性认识,那就是,上述暂时陌生的元素都是Linux内核给字符设备定义的为实现驱动与内核接口而定义的。Linux对各类设备的驱动都定义了类似的数据结构和函数。

1.7 全书结构

本书第1篇给您打下Linux设备驱动的基础。第1章简要地介绍了设备驱动的作用,并从无操作系统的设备驱动引出了Linux操作系统下的设备驱动,介绍了本书所基于的开发环境。第2章系统地讲解了一个Linux驱动工程师应该掌握的硬件知识,为工程师打下Linux驱动编程的硬件基础,讲解了各种类型的CPU、存储器和常见的外设,并阐述了硬件时序分析方法和数据手册阅读方法。第3章将Linux设备驱动放在Linux 2.6内核背景中进行讲解,说明Linux内核的编程方法。由于驱动编程也在内核编程的范畴,因此,这一章实质是为编写Linux设备驱动打下软件基础。

第2篇讲解Linux设备驱动编程的基础理论、字符设备驱动及设备驱动设计中涉及的并发控制、同步等问题。第4、5章分别讲解Linux内核模块和Linux设备文件系统,第6~9章以虚拟设备globalmem和globalfifo为主线,逐步给其添加高级控制功能,第10、11章分别阐述Linux驱动编程中所涉及的中断和定时器、内核和I/O操作处理方法,本篇的第12章讲解了Linux设备驱动工程化的一些问题,属于承前启后的一章。

第3篇剖析复杂设备驱动的体系架构,每一章都给出了具体的实例。所涉及的设备包括块设备、终端设备、I2C适配器与I2C设备、网络设备、PCI设备、USB设备、LCD设备、Flash设备等。这一部分的讲解方法是抽象与具体相结合,先以模板的形式给出各种设备驱动的设计,然后用具体实例设备的驱动填充对应的模板。

第4篇分析了Linux设备驱动的调试和移植方法。由于在Linux设备驱动的设计工作中人们强调多快好省,因此,如果能方便地把现有的其他平台中的驱动移植到Linux 2.6平台,或者将类似设备的驱动进行简单修改就运用于新的设备,那将会极大地缩短工程的实施时间。本书的最后几章对Linux设备驱动移植中涉及的理论以及移植的技巧进行了讲解。

本章导读

本章讲述一个底层驱动工程师必备的硬件基础,给出了嵌入式系统硬件原理及分析方法的一个完整而简洁的全景视图。

2.1节描述了微控制器、微处理器、数字信号处理器以及应用于特定领域的处理器各自的特点,分析了处理器的体系架构和指令集。

2.2节对嵌入式系统中所使用的各类存储器与CPU的接口、应用领域及特点进行了归纳整理。

2.3节分析了常见的外设接口与总线的工作方式,包括串口、I2C、USB、以太网接口、ISA、PCI和cPCI等。

嵌入式系统硬件电路中经常会使用CPLD和FPGA,作为驱动工程师,我们不需要掌握CPLD和FPGA的开发方法,但是需要知道它们在电路中能完成什么工作,2.4节讲解了这项内容。

2.5~2.7节给出了在实际项目开发过程中硬件分析的方法,包括如何进行原理图分析、时序分析及如何快速地从芯片手册获取有效信息。

2.8节讲解了调试过程中常用仪器仪表的使用方法,涉及万用表、示波器和逻辑分析仪。

第2章 驱动设计的硬件基础

2.1 处理器

2.1.1 通用处理器

通用处理器(GPP)并不针对特定的应用领域进行体系结构和指令集的优化,它们具有一般化的通用体系结构和指令集,以求支持复杂的运算并易于添加新开发的功能。一般而言,在嵌入式微控制器(MCU)和微处理器(MPU)中会包含一个通用处理器核。

MPU通常代表一个CPU(中央处理器),而MCU则强调把中央处理器、存储器和外围电路集成在一个芯片中。早期,微控制器被称为单片机,指把计算机集成在一个芯片内。嵌入式微控制器也常被称作片上系统(SoC),含义是在一个芯片上设计了整个系统。芯片厂商在推出MCU时,往往会有明确的市场定位,如定位于PDA、MP3、ADSL等。定位不同的产品可能包含共同的CPU核,但是集成的扩展电路则不一样。图2.1所示给出了一个典型的集成了外围电路的MCU的结构。图2.1 典型的MCU内部结构

举个例子,Intel的80386属于微处理器,而内部集成了80386处理器、片选单元、中断控制、定时器、看门狗定时器、串行I/O、DMA和总线仲裁、DRAM控制器等的386EX则是80386微处理器的微控制器版本。但是,要说明的是,GPP、MCU和MPU等概念其实非常含糊,许多地方并不加以区分,而明确区分这些概念在技术上本身也没有太大的意义。

嵌入式微控制器一般由一个CPU核和多个外围电路集成,目前主流的嵌入式CPU核有如下几种。

● Advanced RISC Machines公司的ARM。

ARM内核的设计技术被授权给数百家半导体厂商,做成不同的SoC芯片。ARM的功耗很低,在当今最活跃的无线局域网、3G、手机终端、手持设备、有线网络通信设备等中应用非常广泛。本书所基于的LDD6410开发板上采用的就是S3C6410这个ARM SoC芯片。

● MIPS技术公司的MIPS。

两个最重要的MIPS芯片厂商为PMC和IDT,PMC-Sierra公司的MIPS处理器被CISCO公司大量采用在高端路由器上。IDT公司在MIPS核上集成PCI接口,广泛用于以太网交换,另外也尝试增加了HDLC、Ethernet、串口、SDRAM控制器、片选、DMA控制器等外设接口,以用于低端通信产品。

● IBM和Motorola的PowerPC。

PowerPC处理器是通信和工控领域应用最广泛的处理器,国内包括华为、中兴在内的通信公司都大量使用PowerPC,MPC860和MPC8260是其最经典的两款。

● Motorola公司独有的内核68K/COLDFIRE。

68K内核是最早在嵌入式领域广泛应用的内核,其最著名的代表芯片是68360。Coldfire则继承了68K的特点并对其保持了兼容。Coldfire内核被用于DSP模块、CAN总线模块以及一般嵌入式处理器所集成的外设模块,在工业控制、机器人研究、家电控制等领域被广泛采用。Motorola的半导体部已经独立为飞思卡尔半导体公司(Freescale Semiconductor Inc.),因为历史原因,上文仍然使用Motorola。

中央处理器的体系架构可以分为两类,一类为冯·诺伊曼结构,一类为哈佛结构。

冯·诺伊曼结构也称普林斯顿结构,是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置,因此程序指令和数据的宽度相同。而哈佛结构将程序指令和数据分开存储,指令和数据可以有不同的数据宽度。此外,哈佛结构还采用了独立的程序总线和数据总线,分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径,具有较高的执行效率。图2.2描述了冯·诺伊曼结构和哈佛结构的区别。图2.2 冯·诺伊曼结构与哈佛结构

从指令集的角度来讲,中央处理器也可以分为两类,即RISC(精简指令集计算机)和CISC(复杂指令集计算机)。CSIC强调增强指令的能力、减少目标代码的数量,但是指令复杂,指令周期长;而RISC强调尽可能减少指令集、指令单周期执行,但是目标代码会更大。ARM、MIPS、PowerPC等CPU内核都采用了RISC指令集。目前,RISC和CSIC二者的融合非常明显。

2.1.2 数字信号处理器

数字信号处理器(DSP)针对通信、图像、语音和视频处理等领域的算法而设计。它包含独立的硬件乘法器。DSP的乘法指令一般在单周期内完成,且优化了卷积、数字滤波、FFT(快速傅立叶变换)、相关、矩阵运算等算法中的大量重复乘法。

DSP一般采用如图2.3所示的改进的哈佛架构,它具有独立的地址总线和数据总线,两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。图2.3 改进的哈佛结构

DSP分为两类,一类是定点DSP,一类是浮点DSP。浮点DSP的浮点运算用硬件来实现,可以在单周期内完成,因而其浮点运算处理速度高于定点DSP。而定点DSP只能用定点运算模拟浮点运算。

德州仪器(TI)、美国模拟器件公司(ADI)是全球DSP的两大主要厂商。

TI的TMS320™DSP平台包含了功能不同的多个系列如2000系列、3000系列、4000系列、5000系列、6000系列,工程师也习惯称其为2X、3X、4X、5X、6X。2010年5月,TI已经宣布为其C64x系列数字信号处理器与多核片上系统提供Linux内核支持,以充分满足通信与关键任务基础设施、医疗诊断以及高性能测量测试等应用需求。TI对C64x Linux内核的产品支持TMS320C6474、TMS320C6455和TMS320C6457,将于2010年第3季度开始提供。

ADI主要有16位定点的21xx系列、32位浮点的SHARC系列、从SHARC系列发展而来的TigerSHARC系列及高性能16位DSP信号处理能力与通用微控制器方便性相结合的blackfin系列等。ADI的blackfin不含MMU,完整支持Linux,是MMU-less情况下Linux的典型案例,其官方网站为http://blackfin.uclinux.org/gf/,目前blackfin的Linux开发保持了Linux mainline的同步。

通用处理器和数字信号处理器也有相互融合以取长补短的趋势,如数字信号控制器(DSC)即为MCU+DSP,ADI的blackfin系列就属于DSC。目前,芯片厂商也推出了许多ARM+DSP的双核以及多核的处理器,如TI公司的OMAP 4平台就包括4个主要处理引擎:ARM Cortex-A9 MPCore、PowerVR SGX 540 GPU(Graphic Processing Unit)、C64x DSP 和ISP(Image Signal Processor)。

除了上面讲述的通用微控制器和数字信号处理器外,还有一些针对特定领域而设计的专用处理器(ASP),它们都是针对一些特定应用而设计的,如用于HDTV、ADSL、Cable Modem等的专用处理器。

网络处理器是一种可编程器件,它应用于电信领域的各种任务,如包处理、协议分析、路由查找、声音/数据的汇聚、防火墙、QoS等。网络处理器器件内部通常由若干个微码处理器和若干硬件协处理器组成,多个微码处理器在网络处理器内部并行处理,通过预先编制的微码来控制处理流程。而对于一些复杂的标准操作(如内存操作、路由表查找算法、QoS的拥塞控制算法、流量调度算法等)则采用硬件协处理器来进一步提高处理性能,从而实现了业务灵活性和高性能的有机结合。

对于某些应用场合,使用ASIC(专用集成电路)往往是低成本且高性能的方案。ASIC专门针对特定应用而设计,不具备也不需要灵活的编程能力。使用ASIC完成同样的功能往往比直接使用CPU资源或CPLD(复杂可编程逻辑器件)/FPGA(现场可编程门阵列)来得更廉价且高效。

在实际项目的硬件方案中,往往会根据应用的需求选择通用处理器、数字信号处理器、特定领域处理器、CPLD/FPGA或ASIC之一的

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