如何编写Linux操作系统下的设备驱动程序(三)

yongchenglv

如何编写Linux操作系统下的设备驱动程序
                        Roy G
三 设备驱动程序中的一些具体问题。
  1. I/O Port.
   和硬件打交道离不开I/O Port，老的ISA设备经常是占用实际的I/O端口，
在linux下，操作系统没有对I/O口屏蔽，也就是说，任何驱动程序都可以
对任意的I/O口操作，这样就很容易引起混乱。每个驱动程序应该自己避免
误用端口。
  有两个重要的kernel函数可以保证驱动程序做到这一点。
  1）check_region(int io_port, int off_set)
    这个函数察看系统的I/O表，看是否有别的驱动程序占用某一段I/O口。
   参数1：io端口的基地址，
   参数2：io端口占用的范围。
   返回值：0 没有占用， 非0，已经被占用。

  2）request_region(int io_port, int off_set,char *devname)
   如果这段I/O端口没有被占用，在我们的驱动程序中就可以使用它。在使用
之前，必须向系统登记，以防止被其他程序占用。登记后，在/proc/ioports
文件中可以看到你登记的io口。
   参数1：io端口的基地址。
   参数2：io端口占用的范围。
   参数3：使用这段io地址的设备名。
   
  在对I/O口登记后，就可以放心地用inb(), outb()之类的函来访问了。
  在一些pci设备中，I/O端口被映射到一段内存中去，要访问这些端口就相当
于访问一段内存。经常性的，我们要获得一块内存的物理地址。在dos环境下，
（之所以不说是dos操作系统是因为我认为DOS根本就不是一个操作系统，它实
在是太简单，太不安全了）只要用段：偏移就可以了。在window95中，95ddk
提供了一个vmm 调用 _MapLinearToPhys,用以把线性地址转化为物理地址。但
在Linux中是怎样做的呢？
  2 内存操作
    在设备驱动程序中动态开辟内存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用
get_free_pages直接申请页。释放内存用的是kfree，或free_pages. 请注意，
kmalloc等函数返回的是物理地址！而malloc等返回的是线性地址！关于
kmalloc返回的是物理地址这一点本人有点不太明白：既然从线性地址到物理
地址的转换是由386cpu硬件完成的，那样汇编指令的操作数应该是线性地址，
驱动程序同样也不能直接使用物理地址而是线性地址。但是事实上kmalloc
返回的确实是物理地址，而且也可以直接通过它访问实际的RAM，我想这样可
以由两种解释，一种是在核心态禁止分页，但是这好像不太现实；另一种是
linux的页目录和页表项设计得正好使得物理地址等同于线性地址。我的想法
不知对不对，还请高手指教。
  言归正传，要注意kmalloc最大只能开辟128k-16，16个字节是被页描述符
结构占用了。kmalloc用法参见khg.
  内存映射的I/O口，寄存器或者是硬件设备的RAM(如显存)一般占用F0000000
以上的地址空间。在驱动程序中不能直接访问，要通过kernel函数vremap获得
重新映射以后的地址。
另外，很多硬件需要一块比较大的连续内存用作DMA传送。这块内存需要一直
驻留在内存，不能被交换到文件中去。但是kmalloc最多只能开辟128k的内存。
这可以通过牺牲一些系统内存的方法来解决。
具体做法是：比如说你的机器由32M的内存，在lilo.conf的启动参数中加上
mem=30M，这样linux就认为你的机器只有30M的内存，剩下的2M内存在vremap
之后就可以为DMA所用了。
请记住，用vremap映射后的内存，不用时应用unremap释放，否则会浪费页表。
3 中断处理
   同处理I/O端口一样，要使用一个中断，必须先向系统登记。
   int request_irq(unsigned int irq ,
                   void(*handle)(int,void *,struct pt_regs *),
                   unsigned int long flags,
                   const char *device);
   irq: 是要申请的中断。
   handle：中断处理函数指针。
   flags：SA_INTERRUPT 请求一个快速中断，0 正常中断。
   device：设备名。
  如果登记成功，返回0，这时在/proc/interrupts文件中可以看你请求的
中断。
  4一些常见的问题。
   对硬件操作，有时时序很重要。但是如果用C语言写一些低级的硬件操作
的话，gcc往往会对你的程序进行优化，这样时序就错掉了。如果用汇编写呢，
gcc同样会对汇编代码进行优化，除非你用volatile关键字修饰。最保险的
办法是禁止优化。这当然只能对一部分你自己编写的代码。如果对所有的代码
都不优化，你会发现驱动程序根本无法装载。这是因为在编译驱动程序时要
用到gcc的一些扩展特性，而这些扩展特性必须在加了优化选项之后才能体现
出来。
  关于kernel的调试工具，我现在还没有发现有合适的。有谁知道请告诉我，
不胜感激。我一直都在printk打印调试信息，倒也还凑合。
    关于设备驱动程序还有很多内容，如等待/唤醒机制，块设备的编写等。
我还不是很明白，不敢乱说。
    欢迎大家批评指正。


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