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 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 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 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，
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