Linux核心定制在嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用的探討

陳剛

【中圖分類號(hào)】TP316 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2013）03-0086-03

隨著硬件的發(fā)展，只靠匯編語言已經(jīng)無法滿足嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)要求了；同時(shí)種類繁多的開發(fā)平臺(tái)無論是硬件的還是軟件的平臺(tái)都讓人難以挑選；但是可以看到的是一些專用的軟件平臺(tái)必將被歷史淘汰；硬件上ARM在嵌入式系統(tǒng)一家獨(dú)大的局面也必將被打破。INTER也即將發(fā)布手機(jī)用CPU，AMD已經(jīng)推出移動(dòng)和嵌入式設(shè)備用的三個(gè)系列CPU；所以源代碼開放對(duì)各種硬件支持良好的LINUX是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的必選軟件平臺(tái)；但是由于LINUX是針對(duì)臺(tái)式機(jī)筆記本的，所以在各式驅(qū)動(dòng)和內(nèi)存等的支持上的過多導(dǎo)致相對(duì)嵌入式系統(tǒng)來說過分龐大；所以在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，我們可以對(duì)LINUX內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)模塊和內(nèi)存管理上進(jìn)行刪減和定制；（Android系統(tǒng)、虛擬操作系統(tǒng)VMware的最新版本等都是對(duì)LINUX內(nèi)核的驅(qū)動(dòng)和內(nèi)存管理進(jìn)行深層次定制修改的LINUX變種）本文主要討論在LINUX內(nèi)核中定制開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。

對(duì)linux的devfs類型的驅(qū)動(dòng)程序的編寫可以從以下幾大內(nèi)容理解和入手：

通過分析驅(qū)動(dòng)程序源代碼可以發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序一般可分三部分：

核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；核心數(shù)據(jù)和資源的初始化，注冊(cè)以及注消，釋放；底層設(shè)備操作函數(shù)；

A.核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

struct file_operations fops 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口struct file_operations { struct module *owner；

loff_t （*llseek） （struct file *，loff_t，int）；

ssize_t （*read） （struct file *，char *，size_t，loff_t *）；

ssize_t （*write） （struct file *，const char *，size_t，loff_t *）； int （*readdir） （struct file *，void *，filldir_t）；

unsigned int （*poll） （struct file *，struct poll_table_struct *）；

int （*ioctl） （struct inode *，struct file *，unsigned int，unsigned long）；

int （*mmap） （struct file *，struct vm_area_struct *）；

int （*open） （struct inode *，struct file *）；

int （*flush） （struct file *）；

int （*release） （struct inode *，struct file *）；

int （*fsync） （struct file *，struct dentry *，int datasync）； int （*fasync） （int，struct file *，int）；

int （*lock） （struct file *，int，struct file_lock *）；

ssize_t （*readv） （struct file *，const struct iovec *，unsigned long，loff_t*）；

ssize_t （*writev） （struct file *，const struct iovec *，unsigned long，loff_t *）；

ssize_t （*sendpage） （struct file *，struct page *，int，size_t，loff_t *，int）；

unsigned long （*get_unmapped_area）（struct file *，unsigned long，unsigned long，unsigned long，unsigned long）；

}；

block_device_operations 塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口{ int （*open） （struct inode *，struct file *）； int （*release） （struct inode *，struct file *）；

int （*ioctl） （struct inode *，struct file *，unsigned，unsigned long）；

int （*check_media_change） （kdev_t）；

int （*revalidate） （kdev_t）；

struct module *owner；

}；塊設(shè)備的READ（）.WRITE（）不在這里注冊(cè)，而是在設(shè)備的讀寫請(qǐng)求隊(duì)列里注冊(cè)，內(nèi)核在這里將調(diào)用通用的blk_read（），blk_write（）.向讀寫隊(duì)列

發(fā)出讀寫請(qǐng)求.

Linux 利用這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)向內(nèi)核注冊(cè)open（），release（），ioctl（），check_ media_change（），rvalidate（）等函數(shù)的入口句柄.

我們將要編寫的open（），release（），ioctl（），check_media_change（），Revali date（）等函數(shù)，將在驅(qū)動(dòng)初始化的時(shí)候，

通過一個(gè)此結(jié)構(gòu)類型的變量向內(nèi)核提供函數(shù)的 入口.

struct request_queue_t 設(shè)備請(qǐng)求隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

struct request_list {

unsigned int count；

unsigned int pending[2]；

struct list_head free；

}；

struct request {

struct list_head queue；

int elevator_sequence；

kdev_t rq_dev；

int cmd； /* READ or WRITE */

int errors；

unsigned long start_time；

unsigned long sector；

unsigned long nr_sectors；

unsigned long hard_sector，hard_nr_sectors；

unsigned int nr_segments；

unsigned int nr_hw_segments；

unsigned long current_nr_sectors，hard_cur_sectors；

void * special；

char * buffer；

struct completion * waiting；

struct buffer_head * bh；

struct buffer_head * bhtail；

request_queue_t *q；

}；

struct request_queue

{

/*

* the queue request freelist，one for reads and one for writes*/

struct request_list rq；

/*

* The total number of requests on each queue

*/

int nr_requests；

/*

* Batching threshold for sleep/wakeup decisions

*/

int batch_requests；

/*

* The total number of 512byte blocks on each queue

*/

atomic_t nr_sectors；

/*

* Batching threshold for sleep/wakeup decisions

*/

int batch_sectors；

/*

* The max number of 512byte blocks on each queue

*/

int max_queue_sectors；

/*

* Together with queue_head for cacheline sharing

*/

struct list_head queue_head；

elevator_t elevator；

request_fn_proc * request_fn；

merge_request_fn * back_merge_fn；

merge_request_fn * front_merge_fn；

merge_requests_fn * merge_requests_fn；

make_request_fn * make_request_fn；

plug_device_fn * plug_device_fn；

/*

* The queue owner gets to use this for whatever they like.

* ll_rw_blk doesnt touch it.

*/

void * queuedata；

/*

* This is used to remove the plug when tq_disk runs.

*/

struct tq_struct plug_tq；

/*

* Boolean that indicates whether this queue is plugged or not.

*/

int plugged：1；

/*

* Boolean that indicates whether current_request is active or

* not.

*/

int head_active：1；

/*

* Boolean that indicates you will use blk_started_sectors

* and blk_finished_sectors in addition to blk_started_io

* and blk_finished_io. It enables the throttling code to

* help keep the sectors in flight to a reasonable value

*/

int can_throttle：1；

unsigned long bounce_pfn；

/*

* Is meant to protect the queue in the future instead of

* io_request_lock

*/

spinlock_t queue_lock；

/*

* Tasks wait here for free read and write requests

*/

wait_queue_head_t wait_for_requests；

struct request *last_request；

}；

緩沖區(qū)和對(duì)緩沖區(qū)相應(yīng)的I/O操作在此任務(wù)隊(duì)列中相關(guān)聯(lián)，等待內(nèi)核的調(diào)度.如果是字符設(shè)備就不需要此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).而

塊設(shè)備的read（），write（）函數(shù)則在buffer_queue的initize和設(shè)備請(qǐng)求隊(duì)列進(jìn)行處理請(qǐng)求時(shí)候傳遞給request_fn（）.

struct request_queue_t{}設(shè)備請(qǐng)求隊(duì)列的變量類型，驅(qū)動(dòng)程序在初始化的時(shí)候需要填寫request_fn（）.

其他的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還有 I/O port，Irq，DMA 資源分配，符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)的ioctl的cmd的構(gòu)造和定義，以及描述設(shè)備自身的

相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義-如設(shè)備的控制寄存器的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義，BIOS里的參數(shù)定義，設(shè)備類型定義等.

B.初始化和注冊(cè)和注消，模塊方式驅(qū)動(dòng)程序的加載和卸載.

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在定義了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)后，首先開始初始化：

如I/O 端口的檢查和登記，內(nèi)核對(duì) I/O PORT的檢查和登記提供了兩個(gè) 函數(shù)check_region（int io_port，int off_set）

和request_region（int io_port，int off_set，char *devname）.I/O Port登記后，就可以用inb（）和outb（）進(jìn)行操作了 .

還有DMA和Irq的初始化檢查和 登記，

int request_irq（unsigned int irq，void（*handle）（int，void *，struct pt_regs*），unsigned int long flags，

const char *device）；

irq： 是要申請(qǐng)的中斷。

handle：中斷處理函數(shù)指針。

flags：SA_INTERRUPT 請(qǐng)求一個(gè)快速中斷，0 正常中斷。

device：設(shè)備名。

如果登記成功，返回0，這時(shí)在/proc/interrupts文件中可以看你請(qǐng)求的中斷。

DMA主要是在內(nèi)存中分配交換內(nèi)存空間.還有緩沖區(qū)，設(shè)備請(qǐng)求隊(duì)列的初始化.

還有設(shè)備控制寄存器的檢查和初始化，還有對(duì)設(shè)備自身相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化，填寫一些設(shè)備特定的數(shù)據(jù)等.

然后，開始注冊(cè)

devfs_register（）向VFS注冊(cè)統(tǒng)一的設(shè)備操作函數(shù).

static struct file_operations XXX_fops = {

owner： THIS_MODULE， XXX_fops所屬的設(shè)備模塊

read： XXX_read， 讀設(shè)備操作

write： XXX_write， 寫設(shè)備操作

ioctl： XXX_ioctl， 控制設(shè)備操作

mmap： XXX_mmap， 內(nèi)存重映射操作

open： XXX_open， 打開設(shè)備操作

release： XXX_release 釋放設(shè)備操作

/* ... */

}；

blk_init_queue（）隊(duì)列初始化函數(shù).

request_irq（）中斷注冊(cè)函數(shù)

相應(yīng)的注消函數(shù)：

devfs_unregister （devfs_handle_t de）{}；

free_irq（）釋放中斷，I/O資源，釋放緩沖區(qū)，釋放設(shè)備，請(qǐng)求隊(duì)列，VFS節(jié)點(diǎn)等.

模塊方式驅(qū)動(dòng)程序的加載和卸載.

static int __init _init_module （void）

{

/* ... */

}

static void __exit _cleanup_module （void）

{

}

/* 加載驅(qū)動(dòng)程序模塊入口 */

module_init（_init_module）；

/* 卸載驅(qū)動(dòng)程序模塊入口 */

module_exit（_cleanup_module）；

_intrrupt（）

設(shè)備發(fā)生中斷時(shí)的處理程序.

{

1.對(duì)共享中斷的處理；

2.對(duì)spinlock以及其他的事務(wù)的處理；

}

C. 底層設(shè)備操作函數(shù)的編寫

read（）.write（），open（），release（），check_media_change（），revalidate（）等.

open（）和release（）

打開設(shè)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)open（ ）來完成的，它是驅(qū)動(dòng)程序用來為今后的操作完成初始化準(zhǔn)備工作的。在大部分驅(qū)動(dòng)程序中，open（ ）通常需要完成下列工作：

1. 檢查設(shè)備相關(guān)錯(cuò)誤，如設(shè)備尚未準(zhǔn)備好等。

2. 如果是第一次打開，則初始化硬件設(shè)備。

3. 識(shí)別次設(shè)備號(hào)，如果有必要?jiǎng)t更新讀寫操作的當(dāng)前位置指針

f_ops。

4. 分配和填寫要放在file->private_data里的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

5. 使用計(jì)數(shù)增1。

釋放設(shè)備是通過調(diào)用file_operations結(jié)構(gòu)中的函數(shù)release（ ）來完成的，這個(gè)設(shè)備方法有時(shí)也被稱為close（ ），它的作用正好與open（ ）相反，通常要完成下列工作：

1. 使用計(jì)數(shù)減1。

2. 釋放在file->private_data中分配的內(nèi)存。

3. 如果使用計(jì)算為0，則關(guān)閉設(shè)備。

read（）和 write（）

字符設(shè)備的讀寫操作相對(duì)比較簡(jiǎn)單，直接使用函數(shù)read（ ）和write（ ）就可以了。但如果是塊設(shè)備的話，則需要調(diào)用函數(shù)block_read（ ）和block_write（ ）來進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫，這兩個(gè)函數(shù)將向設(shè)備請(qǐng)求表中增加讀寫請(qǐng)求，以便Linux內(nèi)核可以對(duì)請(qǐng)求順序進(jìn)行優(yōu)化。由于是對(duì)內(nèi)存緩沖區(qū)而不是直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的，因此能很大程度上加快讀寫速度。如果內(nèi)存緩沖區(qū)中沒有所要讀入的數(shù)據(jù)，或者需要執(zhí)行寫操作將數(shù)據(jù)寫入設(shè)備，那么就要執(zhí)行真正的數(shù)據(jù)傳輸，這是通過調(diào)用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)blk_dev_struct中的函數(shù)request_fn（ ）來完成的。

ioctl（）--將cmd進(jìn)行解釋，并送到設(shè)備的控制寄存器.事實(shí)上，read（）和write（）也要通過ioctl（）來完成操作的 .

ioctl（）{

CASE CMD{

SWITCH CASE1：{...}；

SWITCH CASE2：{...}；

SWITCH CASE N：{...}；

.

.

DEFAULT ： {...}；

}

END CASE

總結(jié)：

我們可以看出一個(gè)linux的驅(qū)動(dòng)程序通常包含如下：

初始化設(shè)備模塊、

{I/O port，DMA.Irq，內(nèi)存 buffer，初始化并且填寫具體設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，注冊(cè) fops的具體函數(shù)等等 }

中斷處理模塊、設(shè)備釋放模塊、設(shè)備卸載模塊

設(shè)備打開模塊、數(shù)據(jù)讀寫和控制模塊、

驅(qū)動(dòng)裝載模塊、驅(qū)動(dòng)釋放模塊.