嵌入式系统中设备控制函数实现的分析

1 引言

在Linux系统中，所有的外部设备都被看作是目录/dev下的一个文件，也就是系统把外部设备当作特殊文件来处理，并为外部设备提供一种标准接口，使得系统像访问文件一样访问外部设备。在嵌入式Linux中，同样也是把外部设备当作文件来处理，应用程序通过调用标准的设备文件操作函数来打开、关闭、读取和控制设备,从事过Linux开发的人员都用到过上述设备控制函数，可它的实现机制很多开发人员并不清楚，所以开发过程中经常遇到一些难以解决的问题，为了便于理解整个实现过程，下面先分析设备驱动程序。

2 设备驱动程序
2．1驱动程序的功能

驱动程序设计是嵌入式Linux开发中十分重要的部分，驱动程序是应用程序与硬件之间的一个中间软件层，应该为应用程序展现硬件的所有功能，不应该强加其它的约束，对于硬件使用的权限和限制应该有应用程序层控制。要实现设备函数对外围设备的操作和控制,首先必须分析驱动程序的构成和实现原理。

2．2驱动程序的基本结构及实现

嵌入式Linux设备驱动程序都有一些共性，就是编写所有类型的驱动程序都通用的，操作系统提供给驱动程序的支持也大致相同。这些特性包括：

 2.2.1两个重要的函数

（1）设备的注册和初始化mydriver_init()函数
         static int mydriver_init(void){
         int i;
         …………
         i = register_chrdev(MYDRIVER_MAJOR,“mydriver”,& mydriver_fops);
         …………
            }
i = register_chrdev(MYDRIVER_MAJOR,“mydriver”,& amp; mydriver_fops); 这是一个驱动程序的精髓，当执行insmod命令时，这个函数实现3个功能:第一，申请主设备号；第二，在内核中注册设备的名字；第三，指定fops方法。其中所指定的fops方法就是用户对设备进行操作的方法，例如 read,write,open,release等.  

（2） 驱动清除mydriver_cleanup()函数
static void mydriver_cleanup(void)
{…………
unregister_chrdev(MYDRIVER_MAJOR,”mydriver”); 
 …………              }
该函数在执行rmmod的时候被调用,主要功能是卸载驱动程序.

2.2.2 file_operations 结构

每一个文件都有一个file的结构，在这个结构中有一个file_operations的结构体，这个结构体指明了能够对该设备文件进行的操作, 如何实现这些操作，是编写设备驱动程序大部分工作量所在。下面是本文所举示例的file_operations结构： 
      设备short_ch对应的fops方法是这样声明的： 
      struct file_operations short_fops = { 
      NULL, // short_lseek  
      short_read, 
      short_write, 
      NULL, // short_readdir  
      NULL, // short_poll  
      NULL, // short_ioctl  
      NULL, // short_mmap 
      short_open, 
      short_release, 
      NULL, // short_fsync 
      NULL, // short_fasync  
            }; 
其中NULL的项目就是不定义这个功能。可以看出short_ch设备只提供了read, write, open, release功能。其中write 功能在下面(3)中实现了，具体的实现函数起名为short_write。这些函数就是真正对设备进行操作的函数，不管实现的时候是多么的复杂，但对用户来看，就是这些常用的文件操作函数。

2.2.3文件操作函数的实现

为了便于阐述和分析,把核心空间中的一个长度为20的数组 tbuf[20]做为一个设备。通过用户程序对它实现open，read，write，close操作。这个设备的名字我称为short_ch。我们编写如下的函数,这个write函数可以向核心内存的一个数组里输入一个字符串。 
      int short_write (struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf,
      int count){ 
      int retval = count; 
      extern unsigned char kbuf[20]; 
      if(count>20) 
      count=20; 
      copy_from_user(kbuf, buf, count); 
      return retval; 
      }  [page]

3设备函数的实现过程分析

在嵌入式Linux下对设备操作的时候，一般都会用到read、 write、llseek和ioctl 等函数，通过这些函数可以像使用文件那样使用外部设备。这些函数的实现过程基本上是类似的，下面以write函数为例来分析用户使用write函数怎么把数据写到设备里面去。 

3.1应用程序中函数的格式

用户程序中的write函数有三个参数，函数格式如下： 
write(int fd, char *buf, int count)
其中参数fd表示将对之进行写操作的设备文件打开时返回的文件描述符.参数buf是一个指向缓冲区的指针,该指针指向存放将写入文件的数据的缓冲区.参数count表示本次操作所要写入文件的数据的字节数.fd一般大于3,0-2被系统分配给了默认的终端设备.

3.2驱动程序中函数的格式 

上面驱动程序函数定义中我们看到驱动程序里的write函数有四个参数，函数格式如下： 
short_write (struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf, int count) inode 是设备节点指针,其中有设备号等信息，它能够告诉操作系统应该使用哪一个设备驱动程序，filp指针中有fops信息，可以告诉操作系统相应的fops方法函数在那里可以找到,后两项参数和应用程序中的含义相同。 

3.3应用程序中函数和驱动程序中函数的参数传递

从上面可以知道两个函数参数个数不同,当应用程序的write函数执行时,是怎么调用驱动程序中相应的write函数的呢?其实关键是Linux系统内核中的相应函数 sys_write,这也是最不透明最不容易理解的地方. Linux 内核中sys_write的源代码： 
      asmlinkage ssize_t sys_write(unsigned int fd, const char * buf, size_t count) 
      { ssize_t ret; 
      struct file * file; 
      struct inode * inode; 
      ssize_t (*write)(struct file *, const char *, size_t, loff_t *); // 指向驱动程序中的wirte函数的指针 
      lock_kernel(); 
      ret = -EBADF; 
      file = fget(fd); // 通过文件描述符得到文件指针  
      if (!file) 
      goto bad_file; 
      if (!(file->f_mode & FMODE_WRITE)) 
      goto out; 
      inode = file->f_dentry->d_inode; // 得到inode信息 
      ret = locks_verify_area(FLOCK_VERIFY_WRITE, inode, file, file->f_pos,count); 
      if (ret) 
      goto out; 
      ret = -EINVAL; 
      if (!file->f_op || !(write = file->f_op->write)) // 将函数开始时声明的write函数指针指向fops方法中对应的write函数 
      goto out; 
      down(&inode->i_sem); 
      ret = write(file, buf, count, &file->f_pos); // 使用驱动程序中的write函数将数据输入设备，注意看，这里就是四个参数了 
      up(&inode->i_sem); 
      out: 
      fput(file); 
      bad_file: 
      unlock_kernel(); 
      return ret; }
     从上面的函数功能可以看出, sys_write函数实现了应用程序中write向驱动程序中的short_write的参数传递过程，其中上述注释语句详细地阐述了参数由三个到四个的变化过程。

4结论

总的来说,设备函数的实现过程由下面几个步骤来完成： 

(1) 加载驱动程序。驱动程序中的初始化函数申请设备名和主设备号，这些可以在/proc/devieces目录中查看到。 (2)从/proc /devices中获得主设备号，驱动程序加载成功后建立设备节点文件。通过主设备号将设备节点文件和设备驱动程序联系在一起。设备节点文件中的file 属性中指明了驱动程序中fops方法实现的函数指针。 (3)用户程序使用open打开设备节点文件，这时操作系统内核知道该驱动程序工作了，就调用 fops方法中的open函数进行相应的工作。 (4)当用户使用write函数操作设备文件时，操作系统调用内核中的sys_write函数，该函数首先通过文件描述符得到设备节点文件对应的inode指针和filp指针。 (5)然后sys_write才会调用驱动程序中的write方法来对设备进行写的操作。用户的write函数和驱动程序的write函数通过系统调用sys_write联系到了一起。本文以设备文件操作控制函数write为例来阐述整个函数的调用过程，其它函数的过程基本相同，本文不再详述。

本文的创新点在于阐述了嵌入式应用程序中对外部设备操作控制函数的实现机制及具体过程的分析，在目前的文献中很少有具体的分析，是作者在具体开发过程中的经验总结。
本文有国家自然科学基金项目支持，项目编号：50677047。

参考文献：
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[2]杜博，方向忠。嵌入式Linux系统下I2C设备驱动程序的开发，  微计算机信息，2006第11期，31-34
[3] 李善平， 刘文峰等《 Linux内核2.4版源代码分析大全》， 机械工业出版社， 2002年1月第1版， 310-312
[4] 贾明， 严世贤。 《Linux下的C编程》，人民邮电出版社， 2001年11月第1版，   157-158
[5]魏永明等译，《LINUX 设备驱动程序》，中国电力出版社，2006年6月第1版，59-62