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LINUX设备驱动 武汉大学计算机学院 郑鹏 Email:pzheng51@163.com 设备驱动 Linux设备管理的主要任务是控制设备完成输入输出操作，所以又称输入输出（I/O）子系统。它的任务是把各种设备硬件的复杂物理特性的细节屏蔽起来，提供一个对各种不同设备使用统一方式进行操作的接口。 设备管理是Linux操作系统管理中最复杂的部分。 设备驱动 要支持某种设备，就必须提供这种设备的控制代码，而要把所有设备的控制代码都写到操作系统内核中，又必然会使内核变得过分庞大以至无法使用。这就提出了一个问题：必须为每种硬件设备提供控制代码，而又不能使操作系统内核过大。解决这个问题的思路是： 把与设备相关的控制代码从内核中分离出来，称这些代码为驱动程序。 在内核与驱动程序之间定义一个统一的接口，双方仅通过这个接口交互信息。 设备驱动 设备驱动程序和内核其余部分的关系： 设备驱动 从内核的角度看，驱动程序是一个设备的代表。 在Linux等操作系统中，所有的设备统一当文件来处理，称为设备文件。和其他文件一样，这种文件可以使用处理文件的标准系统调用打开、关闭和读写。 设备驱动 由于Linux中将设备当作文件来处理，所以对设备进行操作的系统调用和对文件操作的类似，主要包括open()、read()、write()、ioctl()、close()等。 应用程序发出系统调用指令以后，会从用户态转换到内核态，通过内核将open()这样的系统调用转换成对物理设备的操作。 设备驱动 Linux支持三类的硬件设备：字符、块和网络。 字符设备直接读写，没有缓冲区，例如系统的串行端口 /dev/cua0和/dev/cua1。 块设备只能按照一个块（一般是 512 字节或者 1024 字节）的倍数进行读写。块设备通过 buffer cache 访问，可以随机存取，就是说，任何块都可以读写而不必考虑它在设备的什么地方。块设备可以通过它们的设备特殊文件访问，但是更常见的是通过文件系统进行访问。一个块设备可以支持一个安装的文件系统。 网络设备通过 BSD socket 接口访问。 设备驱动 对设备的识别使用设备类型、主设备号、次设备号。 设备类型：字符设备还是块设备。 按照设备使用的驱动程序不同而赋予设备不同的主设备号。主设备号是与驱动程序一一对应的，同时还使用次设备号来区分一种设备中的各个具体设备。次设备号用来区分使用同一个驱动程序的多个设备。 设备驱动 Linux设备管理的基本特点是把物理设备看成文件，采用处理文件的接口和系统调用来管理控制设备。从抽象的观点出发，Linux的设备又称为设备文件。 设备文件也有文件名，设备文件名一般由两部分组成。 第一部分2～3个字符，表示设备的种类 第二部分通常是字母或数字，用于区分同种设备中的单个设备。 设备驱动 网络设备在Linux里做专门的处理。为屏蔽物理设备的多样性，Liunx对所有的网络设备抽象，并定义统一概念：接口。对于每一个已经驱动了的网络设备，都用一个struct net_device的数据结构表示。 网络设备与字符设备及块设备的不同在于： 网络接口不存在于Linux的设备文件系统/dev/中，而是在内核中用一个net_device数据结构表示。 网络设备在数据包发送和接收时，直接通过接口访问，而不需要进行文件的操作。 网络接口是在系统初始化的时候生成的，对于内核支持但不存在的物理设备，将不存在与之对应的net_device结构。 在系统和驱动程序之间定义有专门的数据结构skb_buff进行数据的传递。 1 设备驱动程序概念 设备驱动程序是内核的一部分，它由一组函数和一些私有数据组成，其中的大部分函数是对驱动程序接口的实现。驱动程序通过私有数据和函数控制设备，并通过驱动程序接口与内核的其他部分交互。驱动程序是与设备交互的唯一模块，一个驱动程序不与其它驱动程序交互，内核与驱动程序之间仅通过一个严格定义的接口交互。其优点： 可以将设备专用代码分离到一个独立的模块中 便于添加新设备 用户或厂商可以在没有没有内核源码的情况下添加设备 内核可以对所有设备一视同仁，通过相同的接口访问所有的设备。 1 设备驱动程序概念 Linux 有许多不同的设备驱动程序，但是它们都具有一些一般的属性： 内核代码（Kernel code） 设备驱动程序和内核中的其他代码相似，是 kernel 的一部分，运行在内核态。如果发生错误，可能严重损害系统。一个写错的驱动程序甚至可能摧毁系统，可能破坏文件系统，丢失数据。 实现标准的内核接口（Kernel interfaces） 设备驱动程序必须向 Linux 内核或者它所在的子系统提供一组函数来实现驱动程序接口。 使用标准的内核服务（Kernel mechanisms and