1. 設備驅動和操作系統(tǒng)

　　1.1 無操作系統(tǒng)時的設備驅動

　　在沒有操作系統(tǒng)的情況下，設備驅動的接口直接提交給應用軟件工程師，應用軟件沒有跨越任何層次就可以直接訪問設備驅動的接口。驅動包含的接口函數也與硬件的功能直接吻合，沒有任何附加功能。

　　1.2 有操作系統(tǒng)時的設備驅動

　　沒有操作系統(tǒng)時，設備驅動直接被應用程序調用，不與任何操作系統(tǒng)關聯。當系統(tǒng)中包含操作系統(tǒng)后，設備驅動會變得怎樣?

　　首先，無操作系統(tǒng)時設備驅動的硬件操作仍然是必不可少的，沒有這一部分，設備驅動不可能與硬件打交道，也就是說在無操作系統(tǒng)時驅動所做的工作，在有操作系統(tǒng)時也是要做的。

　　其次，我們還需要將設備驅動融入操作系統(tǒng)內核。應用程序是通過調用操作系統(tǒng)的API來實現對硬件的操作的，所以設備驅動需要融入到內核中。為了實現這種融合，必須在所有的設備驅動中設計面向操作系統(tǒng)內核的接口，這樣的接口由操作系統(tǒng)規(guī)定，對一類設備而言結構一致，獨立于具體的設備。不同的操作系統(tǒng)中定義的設備驅動架構是不一樣的，要將設備驅動融入系統(tǒng)內核中，就需要按照操作系統(tǒng)給出的獨立于設備的接口架構設計，如此這般，應用程序就可以使用統(tǒng)一的系統(tǒng)調用接口來訪問各種設備。其中內核的API 包括并發(fā)/同步控制、阻塞/喚醒、中斷底半部調度、內存和I/O 訪問等。

　　由此可見，當系統(tǒng)中存在操作系統(tǒng)時，設備驅動變成了鏈接硬件和內核的橋梁，操作系統(tǒng)的存在使得單一的“驅動硬件設備工作”變?yōu)椴僮飨到y(tǒng)與硬件交互的模塊，它對外呈現為操作系統(tǒng)API，不再給應用軟件工程師直接提供接口。因此，驅動工程師不僅需要牢固的硬件基礎，如硬件的工作原理、寄存器設置等，還需要對驅動中所涉及的內核知識有良好的掌握，包括內核支持的API、內核驅動架構等，才能設計開發(fā)出好的設備驅動程序。也就是說設備驅動從無操作系統(tǒng)時的應用程序和硬件設備之間的橋梁轉變成操作系統(tǒng)和硬件設備之間的溝通紐帶。

　　2. Linux設備驅動

　　2.1 Linux設備的分類及特點

　　驅動針對的對象是存儲器和外設(包括CPU內部集成的存儲器和外設)，而不是針對CPU核。Linux系統(tǒng)中將存儲器和外設分為3個基礎大類：字符設備、塊設備和網絡設備。

　　2.1.1 字符設備

　　概括的講，字符設備指那些必須以串行順序依次進行訪問的設備，如觸摸屏、磁帶驅動器、鼠標等。字符設備是一種可以當作一個字節(jié)流來存取的設備，字符驅動就負責實現這種行為。這樣的驅動常常至少實現open，close，read，和write系統(tǒng)調用。字符驅動很好地展

　　現了流的抽象，它通過文件系統(tǒng)結點來存取，也就是說，字符設備被當作普通文件來訪問。字符設備和普通文件之間唯一的不同就是：你可以在普通文件中移來移去，但是大部分字符設備僅僅是數據通道，你只能順序存取。然而，也存在看起來象數據區(qū)的字符設備，你可以在里面移來移去的訪問數據。例如，frame grabber經常這樣，應用程序可以使用mmap或者lseek 存取整個要求的圖像。

　　2.1.2 塊設備

　　塊設備是可以用任意順序訪問，以塊為單位進行操作，如硬盤、軟驅等。一般來說，塊設備和字符設備并沒有明顯的界限。如同字符設備，塊設備也是通過文件系統(tǒng)結點進行存取。一個塊設備是可以駐有一個文件系統(tǒng)的。Linux系統(tǒng)中允許應用程序讀寫一個塊設備象一個字符設備一樣，它允許一次傳送任意數目的字節(jié)，當然也包括一個字節(jié)。塊和字符設備的區(qū)別僅僅在內核在內部管理數據的方式上，如字符設備不經過系統(tǒng)的快速緩沖，而塊設備經過系統(tǒng)的快速緩沖，并且在內核/驅動的軟件接口上不同。雖然它們之間的區(qū)別對用戶是透明的，它們都使用文件系統(tǒng)的操作接口open()、close()、read()、write()等函數進行訪問，但是它們的驅動設計存在很大的差異。

　　2.1.3 網絡設備

　　網絡設備是面向數據包的接收和發(fā)送而設計的，它與字符設備、塊設備不同，并不對應于文件系統(tǒng)中的節(jié)點。內核與網絡設備的通信和內核與字符設備、塊設備的通信方式可以說是完全不同的。任何網絡事務都通過一個接口來進行，就是說，一個能夠與其他主機交換數據的設備。通常，一個接口是一個硬件設備，但是它也可能是一個純粹的軟件設備，比如環(huán)回接口，因此網絡設備也可以稱為網絡接口。在內核網絡子系統(tǒng)的驅動下，網絡設備負責發(fā)送和接收數據報文。網絡驅動對單個連接一無所知，它只處理報文。

　　既然網絡設備不是一個面向流的設備，一個網絡接口就不象字符設備、塊設備那么容易映射到文件系統(tǒng)的一個結點上。Linux提供的對網絡設備的存取方式仍然是通過給它們分配一個名字，但是這個名字在文件系統(tǒng)中沒有對應的入口，其并不用read和write等函數，而是通過內核調用和報文傳遞相關的函數來實現。

　　近年來，某些設備驅動類別也已經添加到Linux內核中，如FireWire驅動。與內核處理USB和SCSI驅動相同的方式，內核開發(fā)者集合了類別范圍內的特性，并把它們輸出給驅動實現者，以避免重復工作，因此簡化和加強了編寫類似驅動的過程。

　　除了上面對設備的分類的方式之外，還有其他的劃分方式，與上面的設備類型是正交的。通常，某些類型的驅動與給定類型設備其他層的內核支持函數一起工作。例如，你可以說USB模塊，串口模塊，SCSI模塊等等。每個USB設備由一個USB模塊驅動，與USB子系統(tǒng)一起工作，但是設備自身在系統(tǒng)中表現為一個字符設備(比如一個USB串口)，一個塊設備(一個USB內存讀卡器)，或者一個網絡設備(一個USB以太網接口)。

　　2.2 不同設備的驅動設計概述

　　上述的三類設備，除了網絡設備外，字符設備與塊設備都被映射到Linux文件系統(tǒng)的文件和目錄，通過文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調用接口open()、write()、read()、close()等函數訪問。塊設備比字符設備復雜，在它上面會有一個磁盤/Flash文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)對存儲介質上的文件和目錄進行規(guī)范化的組織。

　　2.2.1 字符設備驅動

　　Linux字符設備驅動的核心是file_operations結構體，驅動的主體是實現其中的read()、write()、ioctl()、open()、release()等方法，這些方法將完成系統(tǒng)需要對設備進行的操作功能。

　　其結構形式如下所示：

　　struct file_operations xxx_fops =

　　{

　　.owner = THIS_MODULE,

　　.read = xxx_read,

　　.write = xxx_write,

　　.ioctl = xxx_ioctl,

　　...

　　}

　　open()方法：該方法提供給驅動程序初始化設備的能力，從而為以后的設備操作做好準備，主要完成如下工作：檢查設備特定的錯誤(例如設備沒準備好，或者類似的硬件錯誤);如果它第一次打開，初始化設備;如果需要，更新file_operations指針;分配并填充要放進filp->private_data的任何數據結構等。此外open操作一般還會遞增使用計數，用以防止文件關閉前模塊被卸載出內核。

　　release()方法：與open方法相反，它主要是釋放由open分配的filp->private_data中的所有內容;在最后一次關閉操作時關閉設備;使用計數減1等操作。

　　read()和write()方法：read方法完成將數據從內核拷貝到應用程序空間，write方法相反，將數據從應用程序空間拷貝到內核。

　　ioctl()方法：ioctl 方法主要用于對設備進行讀寫之外的其他控制，比如配置設備、進入或退出某種操作模式，這些操作一般都無法通過 read/write文件操作來完成。

　　2.2.2 塊設備驅動

　　Linux塊設備驅動并不直接實現file_operations成員函數，其主體變成處理實現block_device_operations成員函數以及處理上層下達的I/O請求。block_device_operations結構體中包含了ioctl()、open()、release()方法，因為字符設備和塊設備的存取方法不同，其I/O處理請求可以看作是塊設備中的read()和write()方法。塊設備調用函數block_read( )和block_write( )來進行數據讀寫，這兩個函數將向設備請求表中Linux塊設備驅動并不直接實現file_operations成員函數，其主體變成處理實現block_device_operations成員函數以及處理上層下達的I/O請求。block_device_operations結構體中包含了ioctl()、open()、release()方法，因為字符設備和塊設備的存取方法不同，其I/O處理請求可以看作是塊設備中的read()和write()方法。塊設備調用函數block_read( )和block_write( )來進行數據讀寫，這兩個函數將向設備請求表中增加讀寫請求，以便Linux內核可以對請求順序進行優(yōu)化。由于是對內存緩沖區(qū)而不是直接對設備進行操作的，因此很大程度上加快了讀寫速度。如果內存緩沖區(qū)中沒有所要讀入的數據，或者需要執(zhí)行寫操作將數據寫入設備，那么就要執(zhí)行真正的數據傳輸。

　　處理I/O請求的典型流程如下所示：

　　static void xxx_request(request_queue_t *q)

　　{

　　struct request *req;

　　while ((req = elv_next_request(q)) != NULL)

　　{

　　struct xxx_dev *dev = req->rq_disk->private_data;

　　if (!blk_fs_request(req)) //不是文件系統(tǒng)請求

　　{

　　printk(KERN_NOTICE "Skip non-fs requestn");

　　end_request(req, 0);//通知請求處理失敗

　?。?/p>

　　continue;

　　}

　　xxx_transfer(dev, req->sector, req->current_nr_sectors, req->buffer,rq_data_dir(req)); //處理這個請求

　　end_request(req, 1); //通知成功完成這個請求

　　}