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第第66章章嵌入式嵌入式LinuxLinux驱动程序开发驱动程序开发
嵌入式Linux的设备管理
设备驱动程序开发过程
应用实例
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1.1.嵌入式嵌入式LinuxLinux的设备管理的设备管理
设备管理概述
设备类型
设备号
Linux驱动程序概念
驱动程序结构
用户访问插口
Linux对中断的处理
设备驱动的初始化
设备驱动初始化函数主要功能
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1.11.1设备管理概述设备管理概述
linux将所有的设备看作具体的文件，通过
文件系统层对设备进行访问。这样可以挺好的
做到“设备无关性”。可以把Linux对设备的管
理界定成四个层次：
用户进程
文件系统层
设备驱动层
硬件层
它们之间的关系如右
图所示：
第六章
123
200
1.11.1设备管理概述设备管理概述
用户进程用户进程通常坐落内核之外，当它须要操
作设备时，可以如同访问普通文件一样，通过调用
read(),write()等文件操作系统调用来完成对设备文
件的访问和控制。
文件系统层：向用户提供一组统一的用户插口。它
坐落用户进程层下边，属于内核空间，基本功能是
执行适宜于所有设备的输入输出功能，使用户透明
的访问文件。在用户进程发出系统调用要求输入输
出操作时，由文件系统层就处理恳求的权限。
设备驱动层：用于屏蔽具体设备的细节，设备驱动
程序坐落内核中，它按照文件系统层的输入输出请
求来操作硬件上的设备控制器，完成设备的初始
化、打开释放设备以及数据在内核和设备间的传递
等操作。
第六章
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1.21.2设备类型设备类型
Linux中的设备可以分为三类：
字符设备：数据的处理是以字节为单位按次序进
行的，没有数据缓冲区，也不支持随机读写。嵌
入式系统中简单的按钮、触摸屏、手写板都属于
字符设备。
块设备：是指这些在输入/输出时数据处理以块为
单位的设备，它通常都采用了缓存技术，支持数
据的随机读写。典型的块设备有硬碟、cd-rom
等。对用户来说块设备和字符设备的访问插口都
是一样的，区别仅在内核和驱动程序的软件插口
上。
网路设备：实现方式不同于以上两种设备，它面
向的上一层不是文件系统层而是网路合同层，内
核和网路设备驱动程序间的通讯，与字符设备和
块设备也完全不同。
第六章
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202
1.31.3设备号设备号
传统的设备管理上，不仅设备类型外，linux
内核还须要一对被称作为主设备号、次设备号
的参数，就能惟一的标示设备。
主设备号：标示设备对应的驱动程序。系统中不
同的设备可以有相同的主设备号，主设备号相同
的设备使用相同的驱动程序，内核借助主设备号
将设备与相应的驱动程序对应上去。
次设备号：拿来分辨具体驱动程序的实例。从上
面可以晓得，一个主设备号可能有多个设备与之
对应，这多个设备正是在驱动程序内通过次设备
号来进一步分辨的。次设备号只能由设备驱动程
序使用，内核的其他部份仅将它作为参数传递给
驱动程序。
第六章
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1.4Linux1.4Linux驱动程序概念驱动程序概念
设备驱动程序是操作系统内核与机器硬件之
间的插口，设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬
件的细节，从应用程序来看，硬件设备只是一
个设备文件，应用程序可以向操作普通文件一
样对硬件设备进行操作，设备驱动程序属于内
核，主要功能有：
对设备初始化和释放。
把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据。
传送应用程序和设备文件之间的数据
检查和处理设备出现的错误。
设备驱动程序的开发方法主要有两种：基于
内核的形式和基于模块的形式。
第六章
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1.51.5驱动程序结构驱动程序结构
Linux的设备驱动程序分为三个主要部份：
手动配臵和初始化子程序：负责检测所要驱动的
硬件设备是否存在和能够正常工作。仅在初始化
时被调用一次。
服务于I/O恳求的子程序：俗称为驱动程序的上半
部份。这部份程序由系统调用执行，和调用进程
属于同一个进程，具有调用进程的运行环境，只
是由用户态弄成了核态度。
中断服务子程序：俗称为驱动程序的下半部份。
由Linux系统接收，再由系统调用中断服务子程
序。
中断可以在任何一个进程运行时形成，因此中
断应当独立于任何进程。
同一个中断可以服务于多个设备，因此应当为
中断程序提供恳求服务设备的标识参数。
第六章
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1.51.5用户访问插口用户访问插口
对用户程序而言嵌入式linux驱动程序实战开发 pdf，设备驱动程序隐藏了设备
的具体细节，对各类不同设备提供了一致的接
口，I/O设备的存取可以通过一组固定的入口点
来进行，这组入口点是由每位设备的设备驱动
程序提供的。主要包括：
open入口点：打开设备打算I/O操作。
release入口点：关掉由open()函数打开的文件
read入口点：从设备上读数据。对于有缓冲区的
I/O操作，通常是从缓冲区里读数据。
write入口点：往设备上写数据，对于有缓冲区
的I/O操作，通常是把数据写入缓冲区里。
ioctl入口点：执行读、写之外的操作，主要是一
些自定义的命令。
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1.51.5用户访问插口用户访问插口
Lseek入口点：联通文件表针的位臵，用于随机
存取的设备。
Readdir入口点：取得下一个目录入口点，只有
与文件系统相关的设备驱动程序才使用。
Select入口点：进行选择操作。假如驱动程序没
有提供select入口，select操作将会觉得设备已然
打算好进行任何的I/O操作。
这种入口点由用户驱动程序提供，在Linux
系统中，使用file_operations结构组织入口点，
其中的成员全部是函数表针嵌入式linux驱动程序实战开发 pdf，所以实质上就是
函数跳转表，每位进程对设备的操作，就会根
据主次设备号，转换成对该结构的访问。
file_operations的结构如下：
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1.51.5用户访问插口用户访问插口
structfile_operations{
int(*lseek)(structinode*,structfile*,off_t,int);
int(*read)(structinode*,structfile*,char*,int);
int(*write)(structinode*,structfile*,constchar*,int);
int(*readdir)(structinode*,structfile*,void*,filldir_t);
int(*select)(structinode*,structfile*,int,select_table
*);
int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsignedint,
unsignedlong);
int(*open)(structinode*,structfile*);
void(*release)(structinode*,structfile*);
…………
};
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1.6Linux1.6Linux对中断的处理对中断的处理
中断是发挥硬件尤其是cpu性能的一个重要
方面，在linux中为中断的管理提供了挺好的接
口，从应用编程角度来看编撰一个中断处理程
序主要做两件事，
依据具体应用实现中断服务子程序。
借助一系列LinuxAPI函数向内核注册该服务子
程序，而具体的中断调度处理由linux内部实现。
注册中断处理程序
向内核注册中断处理程序主要实现两个功能，一
是注册中断号，二是注册中断处理函数。
注册函数为：intrequest_irq(unsignedintirq,voi
d(*handler)(int,void*,structpt_regs*),…..)
释放函数为：voidfree_irq(unsignedintirq,…)
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1.71.7设备驱动的初始化设备驱动的初始化
设备驱动程序所提供的入口点，必须向系统
进行登记，便于系统在适当的时侯调用，这个
过程称为设备驱动的初始化，在Linux系统中对
字符型设备提供了两个相关函数：
externintregister_chrdev(unsignedintmajor,
constchar*name,structfile_operations*fops);
拿来注册驱动程序，它按照提供的主设备号、设
备名及相关的入口点结构向系统注册该设备驱动
程序并完成相关的初始化工作。
externintunregister_chrdev(unsignedintmajor,
constchar*name);拿来卸载设备驱动程序。它
依据主设备号和设备名，对该设备的驱动程序进
行卸载操作。
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1.81.8设备驱动初始化函数主要功能设备驱动初始化函数主要功能
对驱动程序管理的硬件进行必要的初始化：对硬
件寄存器进行设臵，如设臵并口的工作方法、并
口的数据方向等。
初始化设备驱动相关的参数：每位设备都有用于
保存设备相关参数的变量，必须初始化。
在内核中注册设备：每位驱动程序都有惟一的主
设备号，内核必须记录设备的主设备号及其驱动
程序以以便调用。在Linux文件系统的/proc下的
devices文件保存着主设备号及其设备名。
注册中断：假如设备须要IRQ支持，则要注册中
断。
其他初始化工作：例如给设备分配I/O、申请
DMA通道等。
第六章
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2.2.设备驱动程序开发过程设备驱动程序开发过程
设备驱动程序开发流程
模块化驱动程序设计
字符设备驱动程序举例
212
2.12.1设备驱动程序开发流程设备驱动程序开发流程
定义主、次设备号，也可以动态获取。
实现驱动初始化和清理函数。假如驱动程序采用
模块形式，则要实现模块初始化和清理函数。
设计所要实现的文件操作linux系统安装教程，定义file_operations
结构。
实现所须要的文件调用，如read、write等
实现中断服务函数并向内核注册。
将驱动编译到内核或编译成模块并加载。
生成设备节点文件。
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2.22.2模块化驱动程序设计模块化驱动程序设计
在linux系统中提供了一种模块化机制
“module”。借助这些机制，可以按照须要在不
重新编译内核的情况下，将编译好的模块动态
的插入运行中的内核，或则将内核中早已存在
的一个模块移走。这些机制为驱动程序开发调
试提供了很大的便捷。在运行的系统中可以通
过lsmod察看内核中早已动态加载的模块。
模块的安装和从内核中卸载可以通过以下命
令实现，它们操作的对象是经过编译但没有连
接的.o文件。
insmodxxxx
rmmodxxxx
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2.22.2模块化驱动程序设计模块化驱动程序设计
对应的模块化编程，源程序中必须起码提供
两个函数：
init_module()：初始化模块函数，在模块载入时
调用，为之后调用模块的函数做打算。
cleanup_module()：卸载。在模块卸载时调用。
一个简单的模块化程序
/*————mdemo.c————*/
#defineMODULE
#include
intinit_module(void){
printk(“nhello，world!nn”);return0;
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2.22.2模块化驱动程序设计模块化驱动程序设计
voidcleanup_module(void){
printk(“nByeByenn”);
mdemo.c可以通过下边命令来编译：
gcc-c-D__KERNEL__-DMODULE
-omdemomdemo.c
在得到了mdemo后，用insmod命令把它动态
加入内核：
#insmodmdemo
#helloworld!
#rmmodmdemo
#ByeBye
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2.32.3字符设备驱动程序举例字符设备驱动程序举例
教材P291
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3.3.应用实例应用实例
按键驱动
Sitsang板的触摸屏驱动
218
3.13.1按键及其工作原理按键及其工作原理
鼠标在计算机应用系统中是一个很
关键的部件，它能实现向计算机输入数
据、传达命令等功能，是人工干预的主
要手段。
这些部件可分为独立式键盘和导数
按键两种
下边仅对导数按键给以讨论。
219
一、行列式（矩阵式）按键结构特征一、行列式（矩阵式）按键结构特征
矩阵式按键适用于键盘数目较多的场合,它由行线和列
线组成,键盘坐落行、列的交叉点上。
如图6.3-1所示,一个3×3的行、列结构可以构成一个
有9个键盘的按键。
同理一个4×4的行、列结构可以构成一个富含16个按
键的鼠标等等。
很显著,在键盘数目较多的场合,矩阵按键与独立式键盘
盘相比,要节约好多的I/O口。
220
导数（矩阵式）按键示意图导数（矩阵式）按键示意图
221
二、行列式按键工作原理二、行列式按键工作原理
4×4的按键结构如图6.3-2所示,图建行线通过内阻接
+5V,当按键上没有键闭合时,所有的行线和列线断掉,行线
~X
都呈高电平。
222
二、行列式按键工作原理二、行列式按键工作原理
当按键上某一个键闭合时,则该键所对应的行线与列线短
路。诸如,6号键按下闭合时,行线X
和列线Y
漏电,此时X
的电平
由Y
的电平所决定.假如把行线接到CPU的输入口,列线接到CPU
的输出口,则在CPU的控制下,使列线Y
为低电平(0),其余三根列
线Y
、Y
、Y
都为高电平。
之后CPU通过输入口读行线的状态,倘若X
都为高电
平,则Y
这一列上没有键闭合,倘若读出的列线状态不全为高电
平,则为低电平的行线和Y
相交的键处于闭合状态;
223
假如Y
这一列上没有键闭合,接着使列线Y1为低电平,其余列线为高电
平,用同样的方式检测Y
这一列键上有无键闭合。以这种推,最后使列线Y
为低电平,其余的列线为高电平,检测Y
这一列上是否有键闭合。
224
这些逐行逐列地检测鼠标状态的过程称为对按键
的一次扫描。
CPU对键扫描要以采取程序控制的随机方
式,CPU空闲时扫描鼠标,也可以采取定时控制方法,
每隔一定时间,CPU对按键扫描一次,CPU可随时响应
按键输入恳求,对按键扫描,以辨识哪一键处于闭合状
态,并对键输入信息做出相应处理。
225
CPU对按键上闭合键键号的确定,可以按照行线和
列线的状态估算求得,也可以按照行线和列线状态查
表求得。
为了保证CPU对键的闭合作一次且仅作一次处理,
必须消除晃动,在键的稳定闭合或断掉时读键的状态,
并判断出键由闭合到释放时,再作键输入处理。
226
三、键盘导数鼠标键盘的辨识方式三、键盘导数鼠标键盘的辨识方式
导数鼠标键的辨识方式有二种：扫描法和反转法。这
里只介绍扫描法。
按照前面的剖析，很容易得出矩阵鼠标键盘的辨识方
法，此方式分两步进行：第一步，辨识按键有无键被按下；
第二步，假如有键被按下，辨识开具体的键盘。分述如下：
辨识具体键盘的方式是（也称之为扫描法）：逐列臵零
电平，其余各列臵为高电乎，检测各行线电平的变化，假如
某行电平由高电平变为零电平，则可确定此行与列交叉点处
的键盘被按下。
227
鼠标的控制方法鼠标的控制方法
按键扫描只是CPU的工作内容之一。CPU在疏于各
项工作任务时，怎样兼具按键的输入，取决于鼠标的
工作方法。按键的工作方法的选定应按照实际应用系
统中CPU工作的忙、闲情况而定。其原则是既要保证
能及时响应键盘操作，又要不过多占用CPU的工作时
间。一般，鼠标工作方法有三种，即：编程扫描、定
时扫描和中断扫描。
228
一、编程扫描方法一、编程扫描方法
CPU对按键的扫描采取程序控制方法，一旦步入键
扫描状态，则反复地扫描按键，等待用户从按键上输入
命令或数据。而在执行键入命令或处理键入数据过程
中，CPU将不再响应键入要求，直至CPU返回重新扫描
鼠标为止。
229
按键扫描子程序编程要点按键扫描子程序编程要点
（1）判定按键上有无键按下——其方式为列输出全０，读行
输入状态，若状态为全１，则说明鼠标无键按下；若不全为１，
则说明按键有按下。
（2）清除键盘晃动的影响——其方式为，在判定有键按下
后，用软件延时的方式（延时1０ms），再判定按键状态，假如
仍为有键按下状态，则觉得有一个确定的键按下，否则当成键盘
晃动处理。
（3）求按热键臵——用扫描的方式辨识闭合键N所在的行号
X和列号Y，并按照：以下公式估算闭合键的键号
N=X行首键号+列号Y。
（4）键闭合一次仅进行一次按钮处理——方法是等待键盘释
放以后，再进行键盘功能的处理操作。
230
二、定时扫描工作方法二、定时扫描工作方法
定时扫描工作方法是借助内部定
时器形成定时中断（比如１０
ms），CPU响应中断后对按键进行
扫描，并在有键按下时辨识出该键并
执行相应键功能程序。定时扫描工作
形式的按键硬件电路。
与编程扫描工作方法相同，软件
框图如图6.3-３所示。
231
三、中断工作方法三、中断工作方法
按键工作于编程扫描状态时，CPU要不间断地对按键进行扫
描工作，以监视按键的输入情况，直至有键按下为止。其间CPU
不能干任何其它工作，假如CPU工作量较大linux源代码分析，这些方法将不能适
应。
定时扫描进了一大步，不仅定时监视一下按键输入情况外，
其余时间可进行其它任务的处理，因而CPU效率提升了。
为了进一步提升CPU工作效率，可采用只有在鼠标有键按下
时，才执行按键扫描并执行该按钮功能程序，倘若无键按下，
CPU将不搭理按键。
232
3.23.2按键驱动按键驱动
简单起见，我们以一个按钮的实现为例来讲
述驱动的编撰。如右图所示：
平台上的一个按钮和外部中断IRQ6相连，
当按钮按下时，引脚输入低电平触发中断。下
面我们来看驱动程序的设计。
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3.2.13.2.1设备初始化设备初始化
驱动程序在init_keyboard()中实现向系统注
册主次设备号，设备名，并初始化寄存器，如
下：
voidinit_dev_set(void){
ICR=0x00;//低电平触发中断
PDDIR=0x80;//设臵PD7为输入
PDSEL=0x80;//PD7作为I/O与外部联接
PDKBEN=0x00;//鼠标中断使能
………..
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3.2.13.2.1设备初始化设备初始化
intinit_keyboard(void){
#definekeyboard_major50//主设备号为50
#definekeyboard_minor0//次设备号为0
intrc;
rc=register_chrdev(keyboard_major,”
keyboard”,&keyboard_fops);
if(rc
printk(“registerkeyboard-Drivererrorn”);
elseinit_dev_set();
returnrc;
};
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3.2.23.2.2注册中断和中断处理程序注册中断和中断处理程序
在open函数中向内核注册中断，如下：
staticintkeyboard_open(structinode*inode,structfile
*file){
rc=request_irq(IRQ_MACHSPEC|IRQ6_IRQ_NUM,keyboar
d_interrupt,IRQ_FLG_STD,”
keyboard-IRQ”,NULL/*Userdata!!!*/);//向内核注册中断
if(rc){
printk(“keyboard-Driver:Errorwhileinstallinginterrupt
handlern”);
return-ENODEV;
};//返回值不为零，则注册失败
MOD_INC_USE_COUNT;
return0;
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3.2.23.2.2注册中断和中断处理程序注册中断和中断处理程序
按键的中断处理程序如下：
staticvoidkeyboard_interrupt(intirq,void*d
ev_id,structpt_regs*regs){
ISR|=(1
