嵌入式Linux字符设备驱动的设计与应用

摘要：描述了基于嵌入式Linux的字符设备驱动程序的设计方法和实现过程。以电机、数码管、串口和mini键盘的驱动设计为例，详细阐述了嵌入式linux下字符设备驱动设计中的关键技术，包括设备的设备号、设备的操作及设备的注册和卸载等。通过编写相应硬件设备的应用程序，测试设备驱动的正确性。介绍了Troolltech公司开发的开源图形用户界面库-Qt，并使用Qt编程方法设计出良好的人机交互界面。试验结果表明设计的驱动程序完全正确，可以被应用程序使用。

1引言

随着嵌入式系统的发展，嵌入式 Linux以其稳定性和开放源代码的优点在嵌入式系统的开发中得到广泛应用。越来越多的软硬件厂商使用嵌入式 Linux来开发自己的产品，对基于嵌入式 Linux平台开发设备的驱动程序和应用程序的需求在成倍增长。本文通过实现对 PXA255开发板外围字符设备（电机、数码管、串口和 mini键盘）的操作和控制，详细讨论了嵌入式 linux字符设备驱动的设计与应用。

2系统的设计框架

系统的设计分为字符设备驱动程序和人机交互界面两部分。驱动程序为应用程序提供了操作设备的接口；人机交互界面的设计实现设备应用程序并完成人机交互的功能。整个系统软硬件的关系如图 1：字符设备被映射到 Linux文件系统的文件和目录，通过文件系统的系统调用接口 open(),write(),read(),close()等函数访问字符设备，实现设备的操作。

图 1 系统软硬件的关系

3系统字符设备驱动程序的设计方法

Linux驱动程序是设备与具体的应用程序的中间层，它提供操作设备的接口，应用程序员不需要知道具体设备工作细节，只要调用一组标准化的函数就能完成对设备的操作，这些标准化的函数与具体的驱动没有关系，而将这些函数映射到作用于具体设备上的操作则与驱动程序相关[1]。Linux设备分为字符设备，块设备和网络设备，字符设备是能够像字节流一样被访问的设备。以下通过描述字符设备（电动机、数码管、串口、mini键盘）驱动的实现方法，深入讨论了基于嵌入式 linux的字符设备驱动的设计方法和实现过程。

3.1初始化函数与清除函数

Linux系统中，设备驱动的初始化函数负责注册设备，并完成驱动程序必要的初始化以及申请中断等[2]，Linux系统使用 module_init宏指定初始化函数。在初始化函数中调用 regiSTer_chrdev函数向系统注册字符设备，通过 request_IRq 函数申请中断。例如电机设备的初始化函数如下：

　　static int __init moto_init(void){

　　int ret;

　　ret = register_chrdev(MOTO_MAJOR, "moto", &moto_fops);//注册电机设备

　　if (ret) {

　　printk(KERN_ERR "%s: can‘t get major %d.n",

　　__func__, MOTO_MAJOR);

　　return ret;

　　}

　　printk(KERN_INFO "%s: register moto device successfully.n", __func__);

　　return 0;

　　} 其中，register_chrdev函数的第一个参数为主设备号，如果为0 则系统为此驱动程序动态地分配一个主设备号；第二个参数是设备名称，这里是以moto为设备名称；第三个参数moto_fops是默认的struct file_operations结构体 [3]。

清除函数的功能和初始化函数的功能相反，它将驱动程序所占用的系统资源、中断号进行释放。Linux系统使用 module_exit宏指定清除函数。

3.2中断

在 Linux 系统中，中断是由系统来管理与维护的。中断服务子程序在初始化函数中调用 request_irq 函数与相应中断号关联，并将该中断的相关信息添加到系统的中断信息列表中。中断发生时， Linux系统响应中断号来实现中断处理程序的执行。mini键盘按键触发产生中断号为 SIMPLE_KEY_IRQ的中断，系统自动检索并调用键盘中断服务子程序。键盘中断处理流程如图 2：

3.3 设备驱动接口的实现

在Linux内核中，字符设备使用 struct file_operations结构体来实现设备的各种操作接口，这些操作主要用来实现系统调用，命名为 open、read等等。file_operations结构是定义在 <linux/fs.h>中的函数指针数组，每个设备文件都与它自己的操作函数相关联。编写字符设备驱动程序，主要是实现 struct file_operations结构中的各个函数。

本系统各设备驱动的设计主要实现 open、read、write和 release这四个方法接口。 file_operation结构成员如下： /* DEVICE驱动程序设备操作方法集 */ struct file_operations device_fops = {

open方法提供给驱动程序以初始化的能力，从而为以后的操作完成初始化做准备。本系统中存在多个设备共用一个驱动的情况，驱动中的 open方法程序框架如下：

　　int device_open(struct inode *inode, struct file *filp){ int minor = MINOR(kdev); //次设备号的读取 switch(minor) {

　　case first_device: device_first_vaddr = (unsigned long)ioremap (DEVICE_ FIRST _ADDR, 2);

　　……

　　case second_device:

　　……

　　default:

　　……

　　}  MOD_INC_USE_COUNT; // 递增模块引用计数 , 防止模块在使用中被卸载  if (down_interruptible(&device_mutex)) { …… }； }

1）open方法调用 MINOR(kdev)宏实现次设备号的读取，使用 switch语句完成设备的匹配初始化。Linux系统为每一个设备分配了一个主设备号和次设备号。主设备号标识具体的设备驱动程序，次设备号标识具体设备。开发板电机设备有直流电机和步进电机，它们的主设备号都是 252，次设备号分别为 0和 1。数码管、串口、 mini键盘的驱动设计只针对单个设备，次设备号设计为 0。

2）ioremap函数在 open方法中实现对电机、数码管、串口、mini键盘寄存器的访问。 PXA255处理器有专门的存储器管理单元（MMU），在驱动中不能直接对设备 I/O内存的物理地址进行读写，需要调用ioremap 等内核函数将寄存器的实际物理地址映射到内核统一的地址空间中，从而实现了对物理地址的间接调用。例如寄存器 DEVICE_ FIRST _ADDR的读写操作，通过读写 device_first_vaddr变量实现。在 asm/arch/pxa-regs.h头文件中定义了各种寄存器的宏，文件中的宏变量都是经过地址映射的可以直接使用。

release方法的作用正好与 open相反，通过调用 iounmap函数撤销 device设备的虚拟地址映射，同时释放互斥锁，递减模块引用计数，当模块引用计数减到 0时，close函数才能真正的关闭设备。read和 write方法的任务是相似的，主要完成用户空间和内核空间之间的数据拷贝。

read方法程序框架如下：

　　ssize_t device_read(struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *offp){

　　……

　　if (copy_to_user(buf, (u8 *)&BUF, count)) { ……} //写数据给用户空间

　　return count; // 返回成功读取的字节数 }

其中，copy_to_user函数实现内核空间到用户空间的数据拷贝。应用程序调用该方法接口实现串口数据的接收。

write方法的实现同read方法类似。通过调用 copy_from_user函数实现用户空间到内核空间的数据拷贝。该方法接口实现串口数据的发送、LED和MOTO控制寄存器的设置。

3.4 驱动的装载和卸载

Linux驱动程序的编译加载有两种方式。一种是编译成模块在运行时加载，不需要重新启动内核，它使用 insmod工具将驱动模块加载进内核，使用 rmmod从内核中卸载模块。该方法实现如下：1)编译驱动并下载驱动到开发板：$ arm-linux-gcc device_driver.c -I /home/eflag/kernel/include/ -c生成 device_driver.o文件，通过 tftp工具下载到开发板；2)驱动的加载：$ insmod device_driver.o。设备驱动的加载成功后,可以编写应用程序进行设备驱动的检测；3)驱动的卸载：$ rmmod device_driver。

另一种是将驱动程序静态编译进内核，再运行新的内核来测试驱动，该方法是在linux系统字符设备驱动文件夹linux/driver/char/中加入设备驱动源程序，同时修改 makefile文件，重新编译内核，下载新内核到开发板，系统启动后自动加载设备驱动 [3]。在驱动加载成功后就可以对该驱动的设备进行读写等操作。 4 Qt人机界面的实现

Qt是由 Troolltech公司开发的一套开源图形用户界面库。它给应用程序开发者提供了开发图形界面所需的各种功能。Qtopia core是嵌入式环境下所使用的 Qt，很多嵌入式产品如 PDA、手机都采用 qtopia core的图形库作为人机界面设计的框架。本系统使用 qtopia core的图形库进行用户界面的开发。

4.1 Qt应用程序的设计

Qt的事件驱动机制是 single/slot（信号/槽）机制，通过 connect函数连接控件信号（Single）与槽函数(slot）。首先控件触发产生 Single信号，然后由 signal信号触发执行槽函数[4]。本系统中槽函数为具体设备应用程序。

设备应用程序的开发主要是系统函数的调用，如 open（打开设备），read/write（读写设备），close（关闭设备）等。本系统设备应用程序开发如下： RS232收发数据功能； LED跑马灯功能；操控电机转动功能；mini键盘键值读取功能。

Linux系统中设备作为文件被访问，对设备进行访问前需建立设备节点：

　　$mknod /dev/device_name c MAJOR MINOR

其中 device_name是设备节点名， c是字符设备标志， MAJOR是主设备号，MINOR是

次设备号。open函数使用/dev/device_name作为文件路径来打开设备。

4.2Qt应用程序的运行

1）编译 Qtopia core应用程序生成可执行文件 application。通过 tftp工具下载可执行文件到开发板；2）开发板中 application可执行文件的运行： $ chomd +x application $ ./application –qws。

LCD显示器显示人机交互界面如图 3，通过输入设备如鼠标、键盘、触摸屏可以完成设备的操作。

5 总结

实现了电机、数码管、串口和 mini键盘的驱动程序和应用程序的开发，设计了人机交互界面。本文作者创新点：详细分析了嵌入式 Linux下字符设备驱动程序的构建过程。整个系统的设计和实现过程对嵌入式 Linux系统的开发有一定的参考价值。