教学课件第11课字符设备驱动

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1、嵌入式系统嵌入式系统An Introduction to Embedded System浙江大学计算机学院浙江大学计算机学院20122012年年4 4月月1第11课 字符设备驱动提纲1、字符设备驱动框架2、字符设备驱动开发3、GPIO驱动概述4、串行总线概述5、I2C总线驱动开发1、字符设备驱动框架字符设备(Character Device)驱动程序是嵌入式Linux最基本、也是最常用的驱动程序。字符设备在Linux内核中使用struct cdev结构来表示，这个结构体在整个字符驱动程序设计中起着关键的作用。在struct cdev结构中包含着字符设备需要的全部信息，其中最主要的是设备号（de

2、v_t）和文件操作（file_operations）。字符设备驱动框架2、字符设备驱动开发设备类型和设备号关键数据结构字符设备的注册和注销设备类型和设备号对字符设备的访问是通过文件系统内的设备文件进行的，或者称为设备节点，位于/dev目录设备类型：字符设备/块设备主设备号：主设备号用来标识该设备的种类，也标识了该设备所使用的驱动程序次设备号：次设备号由内核使用，标识使用同一设备驱动程序的不同硬件设备关键数据结构file_operationsfileinodefile_operations（1）struct file_operations/指向拥有该结构的模块的指针，一般初始化为THIS_MOD

3、ULEstruct module*owner;/用来改变文件中的当前读/写位置loff_t(*llseek)(struct file*,loff_t,int);/用来从设备中读取数据ssize_t(*read)(struct file*,char _user*,size_t,loff_t*);/用来向设备写入数据ssize_t(*write)(struct file*,const char _user*,size_t,loff_t*);/初始化一个异步读取操作ssize_t(*aio_read)(struct kiocb*,const struct iovec*,unsigned long,l

4、off_t);/初始化一个异步写入操作ssize_t(*aio_write)(struct kiocb*,const struct iovec*,unsigned long,loff_t);/用来读取目录，对于设备文件，该成员应当为NULLint(*readdir)(struct file*,void*,filldir_t);/轮询函数，查询对一个或多个文件描述符的读或写是否会阻塞unsigned int(*poll)(struct file*,struct poll_table_struct*);/用来执行设备I/O操作命令int(*ioctl)(struct inode*,struct f

5、ile*,unsigned int,unsigned long);/不使用BKL文件系统，将使用此函数代替ioctlfile_operations（2）long(*unlocked_ioctl)(struct file*,unsigned int,unsigned long);/在64位系统上，使用32位的ioctl调用将使用此函数代替long(*compat_ioctl)(struct file*,unsigned int,unsigned long);/用来将设备内存映射到进程的地址空间int(*mmap)(struct file*,struct vm_area_struct*);/用来打

6、开设备int(*open)(struct inode*,struct file*);/执行并等待设备的任何未完成的操作int(*flush)(struct file*,fl_owner_t id);/用来关闭设备int(*release)(struct inode*,struct file*);/用来刷新待处理的数据int(*fsync)(struct file*,struct dentry*,int datasync);/fsync的异步版本int(*aio_fsync)(struct kiocb*,int datasync);/通知设备FASYNC标志的改变int(*fasync)(int

7、,struct file*,int);/用来实现文件加锁，通常设备文件不需要实现此函数int(*lock)(struct file*,int,struct file_lock*);filefile结构体在中定义fmode_t f_mode对文件的读写模式，对应系统调用open的mod_t mode参数。loff_t f_pos表示文件当前的读写位置。unsigned int f_flags表示文件标志，对应系统调用open的int flags参数。const struct file_operations*f_op指向和文件关联的操作void*private_data可以用于保存系统调用之间的信

8、息。inodeInode是一个内核文件系统索引节点对象，它包含了内核在操作文件或目录时所需要的全部信息。在内核中inode结构体用来表示文件，file是表示打开文件的结构体。重要成员dev_t i_rdev:对于设备文件而言，此成员包含实际的设备号。struct cdev*i_cdev:指向cdev结构的指针。字符设备的注册和注销定义struct cdev struct kobject kobj;/*内嵌的kobject对象*/struct module*owner;/*所属模块*/const struct file_operations*ops;/*文件操作函数*/struct list_h

9、ead list;dev_t dev;/*设备号*/unsigned int count;使用void cdev_init(struct cdev*,const struct file_operations*);struct cdev*cdev_alloc(void);void cdev_add(struct cdev*,dev_t,unsigned);void cdev_del(struct cdev*);3、GPIO驱动概述在ARM里，所有I/O都是通用的，称为GPIO（General Purpose Input/Output，通用输入输出）。每个GPIO端口一般包含8个引脚，例如PA端口

10、为PA0PA7。可以控制I/O接口作为输入或者输出。许多设备或电路通常只需要一位，即表示开/关两状态就够了，例如LED灯的亮和灭。GPIO接口一般至少会有两个寄存器，即控制寄存器和数据寄存器。数据寄存器的各位都直接引到芯片外部，而针对该寄存器的每一位的功能，则可以通过控制寄存器中相应的位来设置。4、串行总线技术概述串行相比于并行的主要优点是要求的线数较少，通常只需要使用2条、3条或4条数据/时钟总线连续传输数据。SPI总线I2C总线SMBus总线SPI总线同步外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）是由摩托罗拉公司推出的一种高速的、全双工、同步的串行总线。SP

11、I接口在CPU和外围低速器件之间进行同步的串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，并且高位在前、低位在后，是一种全双工通信。数据传输速度总体上来说比I2C总线要快，速度可以达到几Mbit/s。SPI 的工作模式有两种：主模式和从模式，无论哪种模式，都支持3Mbit/s的速率，并且还具有传输完成标志和写冲突保护标志。接口一般使用四条线：串行时钟线SCK、主器件输入/从器件输出数据线MISO、主器件输出/从器件输入数据线MOSI和从器件选择线SS。I2C总线Philips公司开发的二线式串行总线标准，内部集成电路（Internal Integrated Circuit），主要用于连接微控

12、制器和外围设备。I2C总线是由串行数据信号线SDA和串行时钟信号线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。采用该总线连接的设备工作在主/从模式下，主器件既可以作为发送器，也可以作为接收器，能够发送和接收数据。I2C总线最主要的特点是它的简单性和高效性。在标准模式下，位速率可以达到100Kbit/s，在快速模式下则是400Kbit/s，在高速模式下可以达到3.4Mbit/s。SMBus总线系统管理总线（System Management Bus，SMBus）最初由Intel提出，应用于移动PC和桌面PC系统中的低速通讯。SMBus总线同I2C总线一样也是一种二线式串行总线，它使用一条数据线（SM

13、BDATA）和一条时钟线（SMBCLK）进行通信。SMBus的目标是通过一条廉价但功能强大的总线，来控制主板上的设备和收集设备的信息。虽然SMBus的数据传输率较慢，只有大约100kbit/s，却以其结构简单、造价低的特点，受到业界的普遍欢迎。SMBus总线大部分基于I2C总线规范，许多I2C设备也能够在SMBus上正常工作。SMBus与I2C总线之间在时序特性上存在一些差别。5、I2C总线驱动开发I2C驱动程序概况关键数据结构I2C核心I2C总线驱动I2C设备驱动I2C总线驱动概况Linux下的I2C驱动架构有相当的复杂度，主要由I2C核心、I2C总线驱动以及I2C设备驱动三个部分组成。al

14、gos：包含了一些I2C总线适配器的algorithm实现。busses：包含了一些I2C总线的驱动，例如AT91的i2c-at91.c。chips：包含了一些I2C设备的驱动，例如Dallas公司的DS1682实时钟芯片。i2c-boardinfo.c：包含了一些板级信息。：实现了I2C核心的功能以及/proc/bus/i2c*接口。i2c-dev.c：这是一个通用的驱动，基本上大多数I2C驱动都可以通过调用它操作。关键数据结构i2c_adapteri2c_algorithmi2c_driveri2c_cflienti2c_adapterstruct i2c_adapter struct m

15、odule*owner;/*所属模块*/unsigned int id;unsigned int class;/*用来允许探测的类*/const struct i2c_algorithm*algo;/*I2C algorithm结构体指针*/void*algo_data;/*algorithm所需数据*/*client注册和注销时调用*/int(*client_register)(struct i2c_client*)_deprecated;int(*client_unregister)(struct i2c_client*)_deprecated;int timeout;/*超时限制*/in

16、t retries;/*重试次数*/struct device dev;/*适配器设备*/int nr;struct list_head clients;/*client链表头*/char name48;/*适配器名称*/struct completion dev_released;i2c_algorithmstruct i2c_algorithm/I2C传输函数指针int(*master_xfer)(struct i2c_adapter*adap,struct i2c_msg*msgs,int num);/SMBus传输函数指针int(*smbus_xfer)(struct i2c_adap

17、ter*adap,u16 addr,unsigned short flags,char read_write,u8 command,int size,union i2c_smbus_data*data);/确定适配器所支持的功能u32(*functionality)(struct i2c_adapter*);struct i2c_msg _u16 addr;/*从设备地址*/_u16 flags;/*标志位*/_u16 len;/*消息长度*/_u8*buf;/*消息内容*/;i2c_clientstruct i2c_client unsigned short flags;/*标志*/unsi

18、gned short addr;/*芯片地址，注意：7位地址存储在低7位*/char nameI2C_NAME_SIZE;/*设备名字*/struct i2c_adapter*adapter;/*依附的i2c_adapter指针*/struct i2c_driver*driver;/*依附的i2c_driver指针*/struct device dev;/*设备结构体*/int irq;struct list_head list;/*链表头*/struct list_head detected;struct completion released;/*用于同步*/;i2c_driverstru

19、ct i2c_driver int id;/*唯一的驱动id*/unsigned int class;int(*attach_adapter)(struct i2c_adapter*);/*适配器添加函数（旧式）*/int(*detach_adapter)(struct i2c_adapter*);/*适配器删除函数（旧式）*/int(*detach_client)(struct i2c_client*)_deprecated;/*设备删除函数（旧式）*/int(*probe)(struct i2c_client*,const struct i2c_device_id*);/*设备添加函数（新

20、式）*/int(*remove)(struct i2c_client*);/*设备删除函数（新式）*/void(*shutdown)(struct i2c_client*);/*设备关闭函数*/int(*suspend)(struct i2c_client*,pm_message_t mesg);/*设备挂起函数*/int(*resume)(struct i2c_client*);/*设备恢复函数*/int(*command)(struct i2c_client*client,unsigned int cmd,void*arg);/*类似ioctl*/struct device_driver

21、driver;/*设备驱动结构体*/const struct i2c_device_id*id_table;/*此驱动支持的I2C设备列表*/int(*detect)(struct i2c_client*,int kind,struct i2c_board_info*);/*检测函数*/const struct i2c_client_address_data*address_data;struct list_head clients;/*链表头*/;I2C核心提供了一套接口函数，允许一个I2C adapter、I2C driver和I2C client在初始化时在I2C Core中进行注册，以

22、及在退出时进行注销。int i2c_add_adapter(struct i2c_adapter*adapter);int i2c_del_adapter(struct i2c_adapter*adapter);int i2c_register_driver(struct module*owner,struct i2c_driver*driver);void i2c_del_driver(struct i2c_driver*driver);int i2c_attach_client(struct i2c_client*);int i2c_detach_client(struct i2c_cli

23、ent*);int i2c_transfer(struct i2c_adapter*adap,struct i2c_msg*msgs,int num);int i2c_master_send(struct i2c_client*client,const char*buf,int count);int i2c_master_recv(struct i2c_client*client,char*buf,int count);I2C总线驱动I2C总线驱动的任务，是为系统中各个I2C总线增加相应的读写方法。I2C总线驱动模块的加载函数负责初始化I2C适配器所要使用的硬件资源，例如申请I/O地址、中断号

24、等，然后通过i2c_add_adapter()函数注册i2c_adapter结构体，此结构体的成员函数指针已经被相应的具体实现函数初始化。当I2C总线驱动模块被卸载时，卸载函数需要释放I2C适配器所占用的硬件资源，然后通过i2c_del_adapter()函数注销i2c_adapter结构体。针对特定的I2C适配器，还需要实现适合其硬件特性的通信方法，即实现i2c_algorithm结构体。主要是实现其中的master_xfer()函数和functionality()函数。I2C设备驱动（1）与I2C总线驱动对应的是I2C设备驱动，I2C只有总线驱动是不够的，必须有设备才能正常工作。I2C设备

25、驱动也分成两个模块，它们分别是i2c_driver和i2c_client结构体。drivers/i2c/chips目录下已经包含了部分设备的设备驱动代码，负责相应从设备的注册。i2c-dev.c文件中提供了一个通用的I2C设备驱动程序，实现了字符设备的文件操作接口，对设备的具体访问是通过I2C适配器来实现的。构造一个针对I2C核心层接口的数据结构，即i2c_driver结构体，通过接口函数向 I2C核心注册一个I2C设备驱动。同时构造一个对用户层接口的数据结构，并通过接口函数向内核注册一个主设备号为89的字符设备。I2C设备驱动（2）该文件提供了用户层对I2C设备的访问，包括 open、release、read、write、ioctl等常规文件操作，应用程序可以通过open函数打开 I2C的设备文件，通过ioctl函数设定要访问从设备的地址，然后就可以通过read和write函数完成对I2C设备的读写操作。i2c-dev.c中提供的i2cdev_read()和 i2cdev_write()函数分别实现了用户空间的read和write操作，这两个函数又分别会调用I2C核心的i2c_master_recv()和 i2c_master_send()函数来构造一条I2C消息，并且最终调用i2c_algorithm提供的函数接口来完成消息的传输。Thanks!