嵌入式实验设备驱动IO口实验.doc

设备驱动程序( LED 灯、 LED 数码管、键盘、步进电机) 1、实验目的?学习 Linux 操作系统下设备驱动程序的编写和应用?通过自己编写的虚拟设备驱动,实现应用程序与内核的信息交换?通过动态 LED 控制、扫描键盘和步进电机应用,掌握简单输入输出设备的基本控制原理 2、实验原理<一> 设备驱动基础 1、总述 Linux 将所有的设备都看作具体的文件, 并通过文件系统层对设备进行访问。和设备相关的处理可以分为两个层次: 文件系统层和设备驱动层。设备驱动层屏蔽具体设备的细节, 文件系统则向用户提供一组统一的、规范的用户接口。要实现一个设备驱动程序, 只要根据具体的硬件特性向文件系统提供一组访问接口即可, 因此后续实验时了解硬件的相应知识是很重要的。另外,整个设备管理子系统的结构如下图: 用户进程文件系统层硬件层设备驱动层①用户进程一般位于内核之外, 当它需要操作设备时, 可以像访问普通文件一样, 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。②文件系统层属于内核空间, 其基本功能是执行适用于所有设备的输入输出功能, 使用户透明的访问文件③设备驱动层位于内核中,它根据文件系统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、以及数据在内核和设备间的传递等操作。这是本次实验的重点。 2 、设备驱动层<1> 一些重要的数据结构(文件操作) ① file_operations 结构: Linux 中设备驱动程序所提供的这组入口点是由该结构来向系统进行说明的, 它是一组具体操作的集合, 包括打开设备、读取设备等。其原型此处就不涉及了,我们在实验时可将 file_operations 结构初始化为如下形式: struct file_operations fops ={ owner: THIS_MODULE, open: my_open, release: my_release, ioctl: my_ioctl, read: my_read, write: my_write,} ; ② file 结构: 由内核在打开时创建并且在关闭前作为参数传递给操作在设备上的函数, 在文件关闭后内核会释放这个数据结构。由于它是默认生成的,具体的我也没搞太清楚,就直接用了③ inode 结构:内核用该结构在内部表示文件,包含了大量有关文件的信息<2> 初始化和关闭模块的初始化函数负责注册模块所提供的任何设施。具体形式如下: static int my_init(void) {........ } module_init(my_init); module_init 的使用是强制性的此时,可注册许多不同类型的设施,包括不同类型的设备、文件系统、密码变换等。其中, 设备是重点。 Linux 中的设备可以分为三种: 字符设备、块设备、网络设备。而本次实验的 LED 和按键均属于字符设备。关于设备还要有一对设备号来唯一标识设备: 主设备号标识设备对应驱动程序, 次设备号用来区分具体驱动程序的实例。注册设备时, 可采用两种方法:①主设备号可指定一个固定值的方法来获得, int register_chrdev(unsigned int major,const char *name,struct file_operations *fops); ②也可动态分配一主设备号,当上述函数中的参数 major 为零时, 该函数就会选择一个空闲号码并把它作为返回值返回, 另外 内核版本还提供了动态分配函数,具体调用为: alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned int firstminor, unsigned int count,char *name). 模块的关闭函数实际上就是一清除函数,主要用来注销已注册的设备,基本显示如下: static void __exit my_cleanup(void) //__exit 标记该代码仅用于模块卸载{........ } module_exit(my_cleanup); 其中,字符型设备的注销函数为 int unregister_chrdev(unsigned int major,const char *name) 。<3> open 和 release open 方法提供给驱动程序以初始化能力,从而为以后的操作完成初始化做准备。当然,对于不同设备,采用不同的 open 方法,例如 LED 与按键就有很大不同。 release 方法就是 open 的反操作。注意,如果在 open 期间递增使用计数的话,则在 release 中不应忘记对其递减,因为如果使用计数不归零,内核就无法卸载模块。<4> read 和 write rea