三、UNIX系统下的设备驱动程序
3.1、UNIX下设备驱动程序的基本结构
在UNIX系统里，对用户程序而言，设备驱动程序隐藏了设备的具体细节，
对各种不同设备提供了一致的接口，一般来说是把设备映射为一个特殊的设备文
件，用户程序可以象对其它文件一样对此设备文件进行操作。UNIX对硬件设备
支持两个标准接口：块特别设备文件和字符特别设备文件，通过块（字符）特别
设备文件存取的设备称为块（字符）设备或具有块（字符）设备接口。
块设备接口仅支持面向块的I/O操作，所有I/O操作都通过在内核地址空间
中的I/O缓冲区进行，它可以支持几乎任意长度和任意位置上的I/O请求，即提
供随机存取的功能。
字符设备接口支持面向字符的I/O操作，它不经过系统的快速缓存，所以它
们负责管理自己的缓冲区结构。字符设备接口只支持顺序存取的功能，一般不能
进行任意长度的I/O请求，而是限制I/O请求的长度必须是设备要求的基本块长
的倍数。显然，本程序所驱动的串行卡只能提供顺序存取的功能，属于是字符设
备，因此后面的讨论在两种设备有所区别时都只涉及字符型设备接口。
设备由一个主设备号和一个次设备号标识。主设备号唯一标识了设备类型，
即设备驱动程序类型，它是块设备表或字符设备表中设备表项的索引。次设备号
仅由设备驱动程序解释，一般用于识别在若干可能的硬件设备中，I/O请求所涉
及到的那个设备。
设备驱动程序可以分为三个主要组成部分：
(1) 自动配置和初始化子程序，负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和是否
能正常工作。如果该设备正常，则对这个设备及其相关的、设备驱动程序
需要的软件状态进行初始化。这部分驱动程序仅在初始化的时候被调用一
次。
(2) 服务于I/O请求的子程序，又称为驱动程序的上半部分。调用这部分是由
于系统调用的结果。这部分程序在执行的时候，系统仍认为是和进行调用
的进程属于同一个进程，只是由用户态变成了核心态，具有进行此系统调
用的用户程序的运行环境，因此可以在其中调用sleep()等与进程运行环
境有关的函数。
(3) 中断服务子程序，又称为驱动程序的下半部分。在UNIX系统中，并不是
直接从中断向量表中调用设备驱动程序的中断服务子程序，而是由UNIX
系统来接收硬件中断，再由系统调用中断服务子程序。中断可以产生在任
何一个进程运行的时候，因此在中断服务程序被调用的时候，不能依赖于
任何进程的状态，也就不能调用任何与进程运行环境有关的函数。因为设
备驱动程序一般支持同一类型的若干设备，所以一般在系统调用中断服务
子程序的时候，都带有一个或多个参数，以唯一标识请求服务的设备。
在系统内部，I/O设备的存取通过一组固定的入口点来进行，这组入口点是
由每个设备的设备驱动程序提供的。一般来说，字符型设备驱动程序能够提供如
下几个入口点：
(1) open入口点。打开设备准备I/O操作。对字符特别设备文件进行打开操
作，都会调用设备的open入口点。open子程序必须对将要进行的I/O
操作做好必要的准备工作，如清除缓冲区等。如果设备是独占的，即同一
时刻只能有一个程序访问此设备，则open子程序必须设置一些标志以表
示设备处于忙状态。
(2) close入口点。关闭一个设备。当最后一次使用设备终结后，调用close
子程序。独占设备必须标记设备可再次使用。
(3) read入口点。从设备上读数据。对于有缓冲区的I/O操作，一般是从缓
冲区里读数据。对字符特别设备文件进行读操作将调用read子程序。
(4) write入口点。往设备上写数据。对于有缓冲区的I/O操作，一般是把数
据写入缓冲区里。对字符特别设备文件进行写操作将调用write子程序。
(5) ioctl入口点。执行读、写之外的操作。
(6) select入口点。检查设备，看数据是否可读或设备是否可用于写数据。
select系统调用在检查与设备特别文件相关的文件描述符时使用select入口点。
如果设备驱动程序没有提供上述入口点中的某一个，系统会用缺省的子程序
来代替。对于不同的系统，也还有一些其它的入口点。
3.2、LINUX系统下的设备驱动程序
具体到LINUX系统里，设备驱动程序所提供的这组入口点由一个结构来向系
统进行说明，此结构定义为：
#include <linux/fs.h>
struct file_operations {
int (*lseek)(struct inode *inode,struct file *filp,
off_t off,int pos);
int (*read)(struct inode *inode,struct file *filp,
char *buf, int count);
int (*write)(struct inode *inode,struct file *filp,
char *buf,int count);
int (*readdir)(struct inode *inode,struct file *filp,
struct dirent *dirent,int count);
int (*select)(struct inode *inode,struct file *filp,
int sel_type,select_table *wait);
int (*ioctl) (struct inode *inode,struct file *filp,
unsigned int cmd,unsigned int arg);
int (*mmap) (void);
int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp);
void (*release) (struct inode *inode, struct file *filp);
int (*fsync) (struct inode *inode, struct file *filp);
};
其中，struct inode提供了关于特别设备文件/dev/driver（假设此设备名
为driver）的信息，它的定义为：
#include <linux/fs.h>
struct inode {
dev_t i_dev;
unsigned long i_ino; /* Inode number */
umode_t i_mode; /* Mode of the file */
nlink_t i_nlink;
uid_t i_uid;
gid_t i_gid;
dev_t i_rdev; /* Device major and minor numbers*/
off_t i_size;
time_t i_atime;
time_t i_mtime;
time_t i_ctime;
unsigned long i_blksize;
unsigned long i_blocks;
struct inode_operations * i_op;
struct super_block * i_sb;
struct wait_queue * i_wait;
struct file_lock * i_flock;
struct vm_area_struct * i_mmap;
struct inode * i_next, * i_prev;
struct inode * i_hash_next, * i_hash_prev;
struct inode * i_bound_to, * i_bound_by;
unsigned short i_count;
unsigned short i_flags; /* Mount flags (see fs.h) */
unsigned char i_lock;
unsigned char i_dirt;
unsigned char i_pipe;
unsigned char i_mount;
unsigned char i_seek;
unsigned char i_update;
union {
struct pipe_inode_info pipe_i;
struct minix_inode_info minix_i;
struct ext_inode_info ext_i;
struct msdos_inode_info msdos_i;
struct iso_inode_info isofs_i;
struct nfs_inode_info nfs_i;
} u;
};
struct file主要用于与文件系统对应的设备驱动程序使用。当然，其它设
备驱动程序也可以使用它。它提供关于被打开的文件的信息，定义为：
#include <linux/fs.h>
struct file {
mode_t f_mode;
dev_t f_rdev; /* needed for /dev/tty */
off_t f_pos; /* Curr. posn in file */
unsigned short f_flags; /* The flags arg passed to open */
unsigned short f_count; /* Number of opens on this file */
unsigned short f_reada;
struct inode *f_inode; /* pointer to the inode struct */
struct file_operations *f_op;/* pointer to the fops struct*/
};
在结构file_operations里，指出了设备驱动程序所提供的入口点位置，分
别是：
(1) lseek，移动文件指针的位置，显然只能用于可以随机存取的设备。
(2) read，进行读操作，参数buf为存放读取结果的缓冲区，count为所要
读取的数据长度。返回值为负表示读取操作发生错误，否则返回实际读取
的字节数。对于字符型，要求读取的字节数和返回的实际读取字节数都必
须是inode->i_blksize的的倍数。
(3) write，进行写操作，与read类似。
(4) readdir，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。
(5) selec，进行选择操作，如果驱动程序没有提供select入口，select操
作将会认为设备已经准备好进行任何的I/O操作。
(6) ioctl，进行读、写以外的其它操作，参数cmd为自定义的的命令。
(7) mmap，用于把设备的内容映射到地址空间，一般只有块设备驱动程序使
用。
(8) open，打开设备准备进行I/O操作。返回0表示打开成功，返回负数表
示失败。如果驱动程序没有提供open入口，则只要/dev/driver文件存
在就认为打开成功。
(9) release，即close操作。
设备驱动程序所提供的入口点，在设备驱动程序初始化的时候向系统进行登
记，以便系统在适当的时候调用。LINUX系统里，通过调用register_chrdev
向系统注册字符型设备驱动程序。register_chrdev定义为：
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
struct file_operations *fops);
其中，major是为设备驱动程序向系统申请的主设备号，如果为0则系统为此
驱动程序动态地分配一个主设备号。name是设备名。fops就是前面所说的对各个
调用的入口点的说明。此函数返回0表示成功。返回-EINVAL表示申请的主设备号
非法，一般来说是主设备号大于系统所允许的最大设备号。返回-EBUSY表示所申
请的主设备号正在被其它设备驱动程序使用。如果是动态分配主设备号成功，此
函数将返回所分配的主设备号。如果register_chrdev操作成功，设备名就会出
现在/proc/devices文件里。
初始化部分一般还负责给设备驱动程序申请系统资源，包括内存、中断、时
钟、I/O端口等，这些资源也可以在open子程序或别的地方申请。在这些资源不
用的时候，应该释放它们，以利于资源的共享。
在UNIX系统里，对中断的处理是属于系统核心的部分，因此如果设备与系
统之间以中断方式进行数据交换的话，就必须把该设备的驱动程序作为系统核心
的一部分。设备驱动程序通过调用request_irq函数来申请中断，通过free_irq
来释放中断。它们的定义为：
#include <linux/sched.h>
int request_irq(unsigned int irq,
void (*handler)(int irq,void dev_id,struct pt_regs *regs),
unsigned long flags,
const char *device,
void *dev_id);
void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);
参数irq表示所要申请的硬件中断号。handler为向系统登记的中断处理子
程序，中断产生时由系统来调用，调用时所带参数irq为中断号，dev_id为申
请时告诉系统的设备标识，regs为中断发生时寄存器内容。device为设备名，
将会出现在/proc/interrupts文件里。flag是申请时的选项，它决定中断处理
程序的一些特性，其中最重要的是中断处理程序是快速处理程序（flag里设置
了SA_INTERRUPT）还是慢速处理程序（不设置SA_INTERRUPT），快速处理程序
运行时，所有中断都被屏蔽，而慢速处理程序运行时，除了正在处理的中断外，
其它中断都没有被屏蔽。在LINUX系统中，中断可以被不同的中断处理程序共享，
这要求每一个共享此中断的处理程序在申请中断时在flags里设置SA_SHIRQ，
这些处理程序之间以dev_id来区分。如果中断由某个处理程序独占，则dev_id
可以为NULL。request_irq返回0表示成功，返回-INVAL表示irq>15或
handler==NULL，返回-EBUSY表示中断已经被占用且不能共享。
作为系统核心的一部分，设备驱动程序在申请和释放内存时不是调用malloc
和free，而代之以调用kmalloc和kfree，它们被定义为：
#include <linux/kernel.h>
void * kmalloc(unsigned int len, int priority);
void kfree(void * obj);
参数len为希望申请的字节数，obj为要释放的内存指针。priority为分配内存操
作的优先级，即在没有足够空闲内存时如何操作，一般用GFP_KERNEL。
与中断和内存不同，使用一个没有申请的I/O端口不会使CPU产生异常，也
就不会导致诸如“segmentation fault"一类的错误发生。任何进程都可以访问
任何一个I/O端口。此时系统无法保证对I/O端口的操作不会发生冲突，甚至会
因此而使系统崩溃。因此，在使用I/O端口前，也应该检查此I/O端口是否已有
别的程序在使用，若没有，再把此端口标记为正在使用，在使用完以后释放它。
这样需要用到如下几个函数：
int check_region(unsigned int from, unsigned int extent);
void request_region(unsigned int from, unsigned int extent,
const char *name);
void release_region(unsigned int from, unsigned int extent);
调用这些函数时的参数为：from表示所申请的I/O端口的起始地址；
extent为所要申请的从from开始的端口数；name为设备名，将会出现在
/proc/ioports文件里。check_region返回0表示I/O端口空闲，否则为正在
被使用。
在申请了I/O端口之后，就可以如下几个函数来访问I/O端口：
#include <asm/io.h>
inline unsigned int inb(unsigned short port);
inline unsigned int inb_p(unsigned short port);
inline void outb(char value, unsigned short port);
inline void outb_p(char value, unsigned short port);
其中inb_p和outb_p插入了一定的延时以适应某些慢的I/O端口。
在设备驱动程序里，一般都需要用到计时机制。在LINUX系统中，时钟是由
系统接管，设备驱动程序可以向系统申请时钟。与时钟有关的系统调用有：
#include <asm/param.h>
#include <linux/timer.h>
void add_timer(struct timer_list * timer);
int del_timer(struct timer_list * timer);
inline void init_timer(struct timer_list * timer);
struct timer_list的定义为：
struct timer_list {
struct timer_list *next;
struct timer_list *prev;
unsigned long expires;
unsigned long data;
void (*function)(unsigned long d);
};
其中expires是要执行function的时间。系统核心有一个全局变量JIFFIES
表示当前时间，一般在调用add_timer时jiffies=JIFFIES+num,表示在num个
系统最小时间间隔后执行function。系统最小时间间隔与所用的硬件平台有关，
在核心里定义了常数HZ表示一秒内最小时间间隔的数目，则num*HZ表示num
秒。系统计时到预定时间就调用function，并把此子程序从定时队列里删除，
因此如果想要每隔一定时间间隔执行一次的话，就必须在function里再一次调
用add_timer。function的参数d即为timer里面的data项。
在设备驱动程序里，还可能会用到如下的一些系统函数：
#include <asm/system.h>
#define cli() __asm__ __volatile__ ("cli"::)
#define sti() __asm__ __volatile__ ("sti"::)
这两个函数负责打开和关闭中断允许。
#include <asm/segment.h>
void memcpy_fromfs(void * to,const void * from,unsigned long n);
void memcpy_tofs(void * to,const void * from,unsigned long n);
在用户程序调用read 、write时，因为进程的运行状态由用户态变为核心
态，地址空间也变为核心地址空间。而read、write中参数buf是指向用户程
序的私有地址空间的，所以不能直接访问，必须通过上述两个系统函数来访问用
户程序的私有地址空间。memcpy_fromfs由用户程序地址空间往核心地址空间
复制，memcpy_tofs则反之。参数to为复制的目的指针，from为源指针，n
为要复制的字节数。
在设备驱动程序里，可以调用printk来打印一些调试信息，用法与printf
类似。printk打印的信息不仅出现在屏幕上，同时还记录在文件syslog里。
3.3、LINUX系统下的具体实现
在LINUX里，除了直接修改系统核心的源代码，把设备驱动程序加进核心里
以外，还可以把设备驱动程序作为可加载的模块，由系统管理员动态地加载它，
使之成为核心地一部分。也可以由系统管理员把已加载地模块动态地卸载下来。
LINUX中，模块可以用C语言编写，用gcc编译成目标文件（不进行链接，作
为*.o文件存在），为此需要在gcc命令行里加上-c的参数。在编译时，还应该在
gcc的命令行里加上这样的参数：-D__KERNEL__ -DMODULE。由于在不链接时，g
cc只允许一个输入文件，因此一个模块的所有部分都必须在一个文件里实现。
编译好的模块*.o放在/lib/modules/xxxx/misc下（xxxx表示核心版本，如
在核心版本为2.0.30时应该为/lib/modules/2.0.30/misc），然后用depmod -a
使此模块成为可加载模块。模块用insmod命令加载，用rmmod命令来卸载，并可
以用lsmod命令来查看所有已加载的模块的状态。
编写模块程序的时候，必须提供两个函数，一个是int init_module(void)，
供insmod在加载此模块的时候自动调用，负责进行设备驱动程序的初始化工作。
init_module返回0以表示初始化成功，返回负数表示失败。另一个函数是void
cleanup_module (void)，在模块被卸载时调用，负责进行设备驱动程序的清除
工作。
在成功的向系统注册了设备驱动程序后（调用register_chrdev成功后），
就可以用mknod命令来把设备映射为一个特别文件，其它程序使用这个设备的时
候，只要对此特别文件进行操作就行了。
附录：参考文献
1、 《UNIX操作系统设计与实现》
陈华瑛、李建国主编
电子工业出版社出版
2、 《Linux Kernel Hacker's Guide》
作者：Michael K. Johnson
3、 《Kernel Jorn》
作者：Alessandro Rubini & Georg Zezchwitz
连载于《Linux Journal》1996年36期
4、 Linux核心源代码（核心版本2.0.30）
5、 Linux-HOWTO
