一 Linux下的裝置有三種基本型別：
1.字元驅動程式(character device driver)：初學者學Linux驅動程式 可由此開始,Linux device file檔案屬性的第一個位元顯示為 “c”
2.區塊型驅動程式(block device driver)：Linux device file檔案屬性的第一個位元顯示為 “b”
3.網路介面(network device driver)：
二 在Linux中,Device file 的 major number 代表一個特定的裝置，如 major number 為 1 為 null 虛擬裝置，major number 定義於 kernel 文件目錄 Documentation/devices.txt 。Minor number 代表裝置上的子裝置，例如同一個硬碟上的分割區就用不同的 minor number 來代表，但其 major number 相同。
使用 OS API 的最大優點是使得驅動程式的設計抽象化 (abstraction)，我們可以不需要太深入硬體層次。
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三 驅動程式本身可分成 2 個層面來討論：
1.Virtual device driver(觀念討論)：Virtual device driver往上是為了連結Linux kernel的VFS層，並藉此實作 system calls。使用者可透過 system call interface 與 device driver 溝通。D重要性遠在physical device driver之上，因為能不能寫出好的驅動程式，關鍵是在virtual device driver的部份。因一個「機制」良好的kernel mode驅動程式，virtual device driver也必須考慮與user application的互動。實作上，則是需要善用kernel所提供的介面（interface），即kernel APIs。
1.Virtual device driver(觀念討論)：Virtual device driver往上是為了連結Linux kernel的VFS層，並藉此實作 system calls。使用者可透過 system call interface 與 device driver 溝通。D重要性遠在physical device driver之上，因為能不能寫出好的驅動程式，關鍵是在virtual device driver的部份。因一個「機制」良好的kernel mode驅動程式，virtual device driver也必須考慮與user application的互動。實作上，則是需要善用kernel所提供的介面（interface），即kernel APIs。
2.Virtual device driver再分為3階段的觀念實作：
a.定義 file_operations：fops 是指向 file_operations 結構的指標，驅動程式呼叫 register_chrdev() 將fops註冊到 kernel 裡後，fops 便成為該 device driver 所實作的system call進入點。實作system call的函數便是透過file_operations結構來定義，我們稱實作system call的函數為driver method。
kernel 會在需要時回呼 (callback) 我們所註冊的driver method。因此，當 driver 裡的 method 被呼叫時，kernel便將傳遞參數（parameters）給 driver method，driver method可由 kernel 所傳遞進來的參數取得驅動程式資訊。
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b.實作 system calls：文章中提到：user application要呼叫system call必須透過呼叫 GNU C 所提供的"wrapper function",每個 system call 都會對應到 driver 內的一個 task，此 task 即是 file_operation 函數指標所指的函數,我將其概念用簡易的圖形呈現如下：
user application=文字圖縮寫為UA
System call = SC (ex.open/release/read/write/ioctl)
Linux device driver = 文字圖縮寫為Driver
VFS(Virtual File System)：Linux 驅動程式必須透過 VFS層來實作 system call.而VFS就存在linux的/dev底下,所以每一個/dev底下的文件就是一個system call
文字圖：
(介面) (第二層-VFS層)
UA(GNU C's wrapper function) >>>>>system call1 >kernel's VFS> Driver1(file_operation->task1)
>>>>>system call2 >kernel's VFS> Driver1(file_operation->task2)
>>>>>system call3 >kernel's VFS> Driver1(file_operation->task3)
>>>>>system call4 >kernel's VFS> Driver1(file_operation->task4)
>>>>>system call5 >kernel's VFS> Driver1(file_operation->task5)
int main(int argc, char *argv[])
{
int devfd;
devfd = open("/dev/debug", O_RDONLY);
if (devfd == -1) {
printf("Can't open /dev/debug\n");
return -1;
}
ioctl(devfd, IOCTL_WRITE, num);
close(devfd);
return 0;
}
>>>>>system call2 >kernel's VFS> Driver1(file_operation->task2)
>>>>>system call3 >kernel's VFS> Driver1(file_operation->task3)
>>>>>system call4 >kernel's VFS> Driver1(file_operation->task4)
>>>>>system call5 >kernel's VFS> Driver1(file_operation->task5)
GNU LIBC(GLIBC) 的幾個function
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五個System call
opefops->open實作原則如下：
1.將usage count加一（increment）
2.檢查inode->i_rdev
3.檢查裝置是否錯誤
4.初始化裝置
5.將驅動程式自己的資料結構放到filp->private_datan()
close()(release)：
當user application 呼叫close() 函數後，便執行fops->release。有些驅動程式會將release method函數名稱命名為 XXX_close()，但建議以XXX_release()名稱為主，以避免混淆。
fops->release實作原則如下：
1.將 usage count 減一。
opefops->open實作原則如下：
1.將usage count加一（increment）
2.檢查inode->i_rdev
3.檢查裝置是否錯誤
4.初始化裝置
5.將驅動程式自己的資料結構放到filp->private_datan()
close()(release)：
當user application 呼叫close() 函數後，便執行fops->release。有些驅動程式會將release method函數名稱命名為 XXX_close()，但建議以XXX_release()名稱為主，以避免混淆。
fops->release實作原則如下：
1.將 usage count 減一。
read()：fops->read
write()：fops->write
ioctl()：fops->ioctl:
write()：fops->write
ioctl()：fops->ioctl:
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由網路上範例程式碼可看到int main(int argc, char *argv[])
{
int devfd;
devfd = open("/dev/debug", O_RDONLY);
if (devfd == -1) {
printf("Can't open /dev/debug\n");
return -1;
}
ioctl(devfd, IOCTL_WRITE, num);
close(devfd);
return 0;
}
c.註冊 driver (VFS)：註冊driver的動作呼叫register_chrdev()函數完成，此函數接受3個參數如下：
major：要註冊的裝置 major number
name：device 名稱
fops：driver 的 file operation
「註冊」這個動作觀念上是將fops加到kernel的VFS層，因此user application必須透過「device file」才能呼叫到driver method。註冊這個動作的另一層涵意則是將driver method與不同的system call做「正確的對應」，當user application呼叫system call時，才能執行正確的driver method。
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四 Physical device driver(語法討論)：physical device drvier往下是為了存取實體硬體,並使用 Linux kernel 所提供的 device interface 來隨時查閱晶片（chipsets）的 data sheet，並透過晶片的
control register 來控制裝置。(實作控制硬體的程式碼)。Physical device driver 則是討論「如何透過 I/O port 或 I/O memory」來控制裝置，也就是與晶片組的溝通。這個部份需要實作晶片組的 data sheet，本書會以市面上最容易取得的 BT878 視訊擷取晶片為例做說明。
control register 來控制裝置。(實作控制硬體的程式碼)。Physical device driver 則是討論「如何透過 I/O port 或 I/O memory」來控制裝置，也就是與晶片組的溝通。這個部份需要實作晶片組的 data sheet，本書會以市面上最容易取得的 BT878 視訊擷取晶片為例做說明。
此外,physical device driver是一成不變的程式寫法
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1理論上，我們可以將晶片的暫存器分成3大類：
a.Data registers：Data register是晶片裡用來存放資料的暫存器，control register則是用來控制晶片行為的暫存器，status register則保存目前晶片的狀態。設計控制硬體周邊的驅動程式時，需要了解硬體使用的晶片組，晶片組則需要參考IC設計廠商所提供的「datasheet」才能了解晶片組的暫存器名稱與用途，通常不同的暫存器會對應到一個「相對」的偏移位址（offset）。
b.control registers：驅動程式則是要透過control register才能控制晶片，因此需要隨時查閱晶片的datasheet，並了解每一個暫存器的用途。通常暫存器的每個位元（bit）也都是有特定用途的，因此設計驅動程式時，必須要很熟悉C語言的位元運算用法。
實作上，首先會將晶片的 datasheet 寫成C語言的標頭檔，通常這個檔案都可以從 vendor 取得。
接著再定義一組操作暫存器的I/O函數，我們稱這組函數為I/O wrapper function。I/O wrapper functions通常是重新定義Linux kernel所提供的readb()、writeb()或inb()、outb()系列函數所寫成的。
最後，利用I/O wrapper function實作一系列的控制函數，以控制實際硬體，我們稱此函數為chipset control functions。Chipset control functions是由實作system calls的函數（driver method）所呼叫，因此在設計chipset control functions時也會回頭改寫driver method以符合此階段的實作。
最後，利用I/O wrapper function實作一系列的控制函數，以控制實際硬體，我們稱此函數為chipset control functions。Chipset control functions是由實作system calls的函數（driver method）所呼叫，因此在設計chipset control functions時也會回頭改寫driver method以符合此階段的實作。
c.status registers
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physical device 的 I/O 存取
1. I/O port
˙ unsigned inb(unsigned port);
˙ unsigned inw(unsigned port);
˙ unsigned inl(unsigned port);
˙ void outb(unsigned char byte, unsigned port);
˙ void outw(unsigned short word, unsigned port);
˙ void outl(unsigned long word, unsigned port);
1. I/O port
˙ unsigned inb(unsigned port);
˙ unsigned inw(unsigned port);
˙ unsigned inl(unsigned port);
˙ void outb(unsigned char byte, unsigned port);
˙ void outw(unsigned short word, unsigned port);
˙ void outl(unsigned long word, unsigned port);
2. I/O memory
˙ unsigned readb(unsigned port);
˙ unsigned readw(unsigned port);
˙ unsigned readl(unsigned port);
˙ void writeb(unsigned char byte, unsigned port);
˙ void writew(unsigned short word, unsigned port);
˙ void writel(unsigned long word, unsigned port);
此外,對於 I/O memory 的操作，Linux 也提供 memory copy 系列函數如下：
˙ memset_io(address, value, count);
˙ memcpy_fromio(dest, source, num);
˙ memcpy_toio(dest, source, num);
˙ unsigned readb(unsigned port);
˙ unsigned readw(unsigned port);
˙ unsigned readl(unsigned port);
˙ void writeb(unsigned char byte, unsigned port);
˙ void writew(unsigned short word, unsigned port);
˙ void writel(unsigned long word, unsigned port);
此外,對於 I/O memory 的操作，Linux 也提供 memory copy 系列函數如下：
˙ memset_io(address, value, count);
˙ memcpy_fromio(dest, source, num);
˙ memcpy_toio(dest, source, num);
3. PCI configuration space：Linux 讀寫 PCI configuration space（PCI BIOS）的函數：
˙ int pci_read_config_byte(struct pci_dev *dev, int where, u8 *val);
˙ int pci_read_config_word(struct pci_dev *dev, int where, u16 *val);
˙ int pci_read_config_dword(struct pci_dev *dev, int where, u32 *val);
˙ int pci_write_config_byte(struct pci_dev *dev, int where, u8 val);
˙ int pci_write_config_word(struct pci_dev *dev, int where, u16 val);
˙ int pci_write_config_dword(struct pci_dev *dev, int where, u32 val);
4. ioremap：重要API，因Linux device driver 「不能直接存取 physical address」。所以，「使用以上的 I/O 相關函數時，只能傳 virtual address，不能傳入 physical address」，ioremap() 就是用來將 physical address 對應到 virtual address 的 API。
˙ int pci_read_config_byte(struct pci_dev *dev, int where, u8 *val);
˙ int pci_read_config_word(struct pci_dev *dev, int where, u16 *val);
˙ int pci_read_config_dword(struct pci_dev *dev, int where, u32 *val);
˙ int pci_write_config_byte(struct pci_dev *dev, int where, u8 val);
˙ int pci_write_config_word(struct pci_dev *dev, int where, u16 val);
˙ int pci_write_config_dword(struct pci_dev *dev, int where, u32 val);
4. ioremap：重要API，因Linux device driver 「不能直接存取 physical address」。所以，「使用以上的 I/O 相關函數時，只能傳 virtual address，不能傳入 physical address」，ioremap() 就是用來將 physical address 對應到 virtual address 的 API。
I/O 裝置分成以下 2 種（from hardware view）：
資料傳輸的方式來區分
資料傳輸的方式來區分
Polling：I/O裝置不具備中斷。
Interrupt：I/O裝置以中斷觸發方式進行I/O。
Interrupt：I/O裝置以中斷觸發方式進行I/O。
第一步device至kernel（註冊Driver）
1.將driver自己「註冊」到kernel的VFS層，註冊時所要呼叫的函數根據裝置類型的不同而不同。
3.將驅動程式「註冊」（registration）至kernel的動作必須在init_module()函數裡實作。根據裝置類型的不同，所呼叫的函數也不同，以下是幾個基本的裝置註冊函數：
˙ int register_chrdev(unsigned int major, const char * name, struct file_operations *fops)：註冊字元型驅動程式。
˙ int register_blkdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops)：註冊區塊型驅動程式。
˙ int usb_register(struct usb_driver *new_driver)：註冊USB驅動程式。
˙ int pci_register_driver(struct pci_driver *)：註冊PCI驅動程式。
本文範例註冊驅動程式的程式片斷如下：
#define DEV_MAJOR 121 #define DEV_NAME "debug" #define MSG(format, arg...) printk(KERN_INFO "DEBUG CARD: " format "\n", ## arg)
int init_module(void) { MSG("DEBUG CARD v0.1.1"); MSG(" Copyright (C) 2004 www.jollen.org");
if (register_chrdev(DEV_MAJOR, DEV_NAME, &card_fops) < 0) {
˙ 第1個參數：為device file的major number。該device file應在Linux系統底下以root身份手動建立。
˙ 第2個參數：
˙ 第3個參數：為驅動程式的fops。 MSG("Couldn't register a device.");
return -1;
}
return 0;
}
2.註冊的動作是寫在init_module()裡，因此當使用者執行insmod載入驅動程式時，register_chrdev()便會執行。由此可知，註冊驅動程式的時機為insmod時。
˙ int register_chrdev(unsigned int major, const char * name, struct file_operations *fops)：註冊字元型驅動程式。
˙ int register_blkdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops)：註冊區塊型驅動程式。
˙ int usb_register(struct usb_driver *new_driver)：註冊USB驅動程式。
˙ int pci_register_driver(struct pci_driver *)：註冊PCI驅動程式。
本文範例註冊驅動程式的程式片斷如下：
#define DEV_MAJOR 121 #define DEV_NAME "debug" #define MSG(format, arg...) printk(KERN_INFO "DEBUG CARD: " format "\n", ## arg)
int init_module(void) { MSG("DEBUG CARD v0.1.1"); MSG(" Copyright (C) 2004 www.jollen.org");
if (register_chrdev(DEV_MAJOR, DEV_NAME, &card_fops) < 0) {
˙ 第1個參數：為device file的major number。該device file應在Linux系統底下以root身份手動建立。
˙ 第2個參數：
˙ 第3個參數：為驅動程式的fops。 MSG("Couldn't register a device.");
return -1;
}
return 0;
}
二 解除註冊：在rmmod時，必須執行解除註冊的動作，此動作必須實作在cleanup_module()函數裡。
˙ int unregister_chrdev(unsigned int major, const char * name) ：解除註冊字元型驅動程式。
˙ int unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name) ：解除註冊區塊型驅動程式。
˙ void usb_deregister(struct usb_driver *driver)：解除註冊USB驅動程式。
˙ pci_unregister_driver(struct pci_driver *drv) ：解除註冊PCI驅動程式。
範例debug card 0.1.0解除註冊的程式片斷如下：
void cleanup_module(void)
{
if (unregister_chrdev(DEV_MAJOR, DEV_NAME))
MSG("failed to unregister driver");
else
MSG("driver un-installed\n");
}
方法一：
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ sudo tar -jxf cross-4.2.2-eabi.tar.bz2
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ ls
4.2.2-eabi cross-4.2.2-eabi.tar.bz2
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ vim /etc/profile
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ vim /etc/profile
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ sudo vim /etc/profile
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ sudo vim /etc/profile
PATH="$PATH:/usr/local/arm/4.2.2-eabi/usr/bin"
export PATH
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ source PATH
bash: PATH: 沒有此一檔案或目錄
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ source /etc/profile
鍵入arm-linux-gcc -v 以檢查配置是否成功
Using built-in specs.
Target: arm-unknown-linux-gnueabi
Configured with: /home/scsuh/workplace/coffee/buildroot-20071011/toolchain_build_arm/gcc-4.2.2/configure --prefix=/usr --build=i386-pc-linux-gnu --host=i386-pc-linux-gnu --target=arm-unknown-linux-gnueabi --enable-languages=c,c++ --with-sysroot=/usr/local/arm/4.2.2-eabi/ --with-build-time-tools=/usr/local/arm/4.2.2-eabi//usr/arm-unknown-linux-gnueabi/bin --disable-__cxa_atexit --enable-target-optspace --with-gnu-ld --enable-shared --with-gmp=/usr/local/arm/4.2.2-eabi//gmp --with-mpfr=/usr/local/arm/4.2.2-eabi//mpfr --disable-nls --enable-threads --disable-multilib --disable-largefile --with-arch=armv4t --with-float=soft --enable-cxx-flags=-msoft-float
Thread model: posix
gcc version 4.2.2
方法二：
有自build嵌入式系統 可以直接用build bsp之環境
˙ int unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name) ：解除註冊區塊型驅動程式。
˙ void usb_deregister(struct usb_driver *driver)：解除註冊USB驅動程式。
˙ pci_unregister_driver(struct pci_driver *drv) ：解除註冊PCI驅動程式。
範例debug card 0.1.0解除註冊的程式片斷如下：
void cleanup_module(void)
{
if (unregister_chrdev(DEV_MAJOR, DEV_NAME))
MSG("failed to unregister driver");
else
MSG("driver un-installed\n");
}
環境說明＆建置
方法一：
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ sudo tar -jxf cross-4.2.2-eabi.tar.bz2
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ ls
4.2.2-eabi cross-4.2.2-eabi.tar.bz2
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ vim /etc/profile
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ vim /etc/profile
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ sudo vim /etc/profile
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ sudo vim /etc/profile
PATH="$PATH:/usr/local/arm/4.2.2-eabi/usr/bin"
export PATH
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ source PATH
bash: PATH: 沒有此一檔案或目錄
jason@jason-NB:/usr/local/arm$ source /etc/profile
鍵入arm-linux-gcc -v 以檢查配置是否成功
Using built-in specs.
Target: arm-unknown-linux-gnueabi
Configured with: /home/scsuh/workplace/coffee/buildroot-20071011/toolchain_build_arm/gcc-4.2.2/configure --prefix=/usr --build=i386-pc-linux-gnu --host=i386-pc-linux-gnu --target=arm-unknown-linux-gnueabi --enable-languages=c,c++ --with-sysroot=/usr/local/arm/4.2.2-eabi/ --with-build-time-tools=/usr/local/arm/4.2.2-eabi//usr/arm-unknown-linux-gnueabi/bin --disable-__cxa_atexit --enable-target-optspace --with-gnu-ld --enable-shared --with-gmp=/usr/local/arm/4.2.2-eabi//gmp --with-mpfr=/usr/local/arm/4.2.2-eabi//mpfr --disable-nls --enable-threads --disable-multilib --disable-largefile --with-arch=armv4t --with-float=soft --enable-cxx-flags=-msoft-float
Thread model: posix
gcc version 4.2.2
方法二：
有自build嵌入式系統 可以直接用build bsp之環境
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