三、UNIX系統下的設備驅動程序 3.1、UNIX下設備驅動程序的基本結構 在UNIX系統裡，對用戶程序而言，設備驅動程序隱藏了設備的具體細節，對各種不同設備提供了一致的接口，一般來說是把設備映射為一個特殊的設備文件，用戶程序可以象對其它文件一樣對此設備文件進行操作。UNIX對硬件設備支持兩個標准接口：塊特別設備文件和字符特別設備文件，通過塊（字符）特別設備文件存取的設備稱為塊（字符）設備或具有塊（字符）設備接口。 塊設備接口僅支持面向塊的I/O操作，所有I/O操作都通過在內核地址空間中的I/O緩沖區進行，它可以支持幾乎任意長度和任意位置上的I/O請求，即提供隨機存取的功能。 字符設備接口支持面向字符的I/O操作，它不經過系統的快速緩存，所以它們負責管理自己的緩沖區結構。字符設備接口只支持順序存取的功能，一般不能進行任意長度的I/O請求，而是限制I/O請求的長度必須是設備要求的基本塊長的倍數。顯然，本程序所驅動的串行卡只能提供順序存取的功能，屬於是字符設備，因此後面的討論在兩種設備有所區別時都只涉及字符型設備接口。 設備由一個主設備號和一個次設備號標識。主設備號唯一標識了設備類型，即設備驅動程序類型，它是塊設備表或字符設備表中設備表項的索引。次設備號僅由設備驅動程序解釋，一般用於識別在若干可能的硬件設備中，I/O請求所涉及到的那個設備。 設備驅動程序可以分為三個主要組成部分： (1) 自動配置和初始化子程序，負責檢測所要驅動的硬件設備是否存在和是否能正常工作。如果該設備正常，則對這個設備及其相關的、設備驅動程序需要的軟件狀態進行初始化。這部分驅動程序僅在初始化的時候被調用一次。 (2) 服務於I/O請求的子程序，又稱為驅動程序的上半部分。調用這部分是由於系統調用的結果。這部分程序在執行的時候，系統仍認為是和進行調用的進程屬於同一個進程，只是由用戶態變成了核心態，具有進行此系統調用的用戶程序的運行環境，因此可以在其中調用sleep()等與進程運行環境有關的函數。 (3) 中斷服務子程序，又稱為驅動程序的下半部分。在UNIX系統中，並不是直接從中斷向量表中調用設備驅動程序的中斷服務子程序，而是由UNIX系統來接收硬件中斷，再由系統調用中斷服務子程序。中斷可以產生在任何一個進程運行的時候，因此在中斷服務程序被調用的時候，不能依賴於任何進程的狀態，也就不能調用任何與進程運行環境有關的函數。因為設備驅動程序一般支持同一類型的若干設備，所以一般在系統調用中斷服務子程序的時候，都帶有一個或多個參數，以唯一標識請求服務的設備。 在系統內部，I/O設備的存取通過一組固定的入口點來進行，這組入口點是由每個設備的設備驅動程序提供的。一般來說，字符型設備驅動程序能夠提供如下幾個入口點： (1) open入口點。打開設備准備I/O操作。對字符特別設備文件進行打開操作，都會調用設備的open入口點。open子程序必須對將要進行的I/O操作做好必要的准備工作，如清除緩沖區等。如果設備是獨占的，即同一 時刻只能有一個程序訪問此設備，則open子程序必須設置一些標志以表示設備處於忙狀態。 (2) close入口點。關閉一個設備。當最後一次使用設備終結後，調用close子程序。獨占設備必須標記設備可再次使用。 (3) read入口點。從設備上讀數據。對於有緩沖區的I/O操作，一般是從緩沖區裡讀數據。對字符特別設備文件進行讀操作將調用read子程序。 (4) write入口點。往設備上寫數據。對於有緩沖區的I/O操作，一般是把數據寫入緩沖區裡。對字符特別設備文件進行寫操作將調用write子程序。 (5) ioctl入口點。執行讀、寫之外的操作。 (6) select入口點。檢查設備，看數據是否可讀或設備是否可用於寫數據。select系統調用在檢查與設備特別文件相關的文件描述符時使用select入口點。如果設備驅動程序沒有提供上述入口點中的某一個，系統會用缺省的子程序來代替。對於不同的系統，也還有一些其它的入口點。 3.2、Linux系統下的設備驅動程序 具體到LINUX系統裡，設備驅動程序所提供的這組入口點由一個結構來向系統進行說明，此結構定義為： #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提供了關於特別設備文件/dev/driver（假設此設備名為driver）的信息，它的定義為： #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主要用於與文件系統對應的設備驅動程序使用。當然，其它設備驅動程序也可以使用它。它提供關於被打開的文件的信息，定義為： #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*/ }; 在結構file_operations裡，指出了設備驅動程序所提供的入口點位置，分別是： (1) lseek，移動文件指針的位置，顯然只能用於可以隨機存取的設備。 (2) read，進行讀操作，參數buf為存放讀取結果的緩沖區，count為所要讀取的數據長度。返回值為負表示讀取操作發生錯誤，否則返回實際讀取的字節數。對於字符型，要求讀取的字節數和返回的實際讀取字節數都必須是inode->i_blksize的的倍數。 (3) write，進行寫操作，與read類似。 (4) readdir，取得下一個目錄入口點，只有與文件系統相關的設備驅動程序才使用。 (5) selec，進行選擇操作，如果驅動程序沒有提供select入口，select操作將會認為設備已經准備好進行任何的I/O操作。 (6) ioctl，進行讀、寫以外的其它操作，參數cmd為自定義的的命令。 (7) mmap，
