linux驱动学习(2)——访问硬件设备

(一)mmap系统调用

功能：

void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags ,int fd , off_t offset )
内存映射函数mmap, 负责把文件内容映射到进程的虚拟内存空间, 通过对这段内存的读取和修改，来实现对文件的读取和修改,而不需要再调用read，write等操作。

参数:

addr：指定映射的起始地址, 通常设为NULL, 由系统指定。
length:映射到内存的文件长度。
prot：映射区的保护方式, 可以是:
PROT_EXEC: 映射区可被执行
PROT_READ: 映射区可被读取
PROT_WRITE: 映射区可被写入
flags: 映射区的特性, 可以是:

1. MAP_SHARED:写入映射区的数据会复制回文件, 且允许其他映射该文件的进程共享。
2. MAP_PRIVATE:对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制(copy-on-write), 对此区域所做的修改不会写回原文件

fd:由open返回的文件描述符, 代表要映射的文件。
offset:以文件开始处的偏移量, 必须是分页大小的整数倍, 通常为0, 表示从文件头开始映射。

解除映射:

int munmap(void *start,size_t length)

功能：

　　取消参数start所指向的映射内存，参数length表示欲取消的内存大小。

返回值：

　　解除成功返回0，否则返回－1，错误原因存于errno中。

虚拟内存区域:

　　虚拟内存区域是进程的虚拟地址空间中的一个同质区间，即具有同样特性的连续地址范围。一个进程的内存映象由下面几部分组成：程序代码、数据、BSS和栈区域，以及内存映射的区域。

一个进程的内存区域可以通过查看 /proc/pid/maps
每一行的域为：start_end perm offset major:minor inode

- Start: 该区域起始虚拟地址
- End: 该区域结束虚拟地址
- Perm: 读、写和执行权限；表示对这个区域，允许进程做什么。这个域的最后一个字符要么是p表示私有的，要么是s表示共享的。
- Offset: 被映射部分在文件中的起始地址
- Major、minor：主次设备号
- Inode：索引结点

Linux内核使用结构vm_area_struct（<linux/mm_types.h>）来描述虚拟内存区域，其中几个主要成员如下：

- unsigned long vm_start 虚拟内存区域起始地址
- unsigned long vm_end 虚拟内存区域结束地址
- unsigned long vm_flags 该区域的标记。如:VM_IO和VM_RESERVED。VM_IO将该 VMA标记为内存映射的 IO区域，VM_IO会阻止系统将该区域包含在进程的存放转存(core dump )中，VM_RESERVED标志内存区域不能被换出

mmap设备操作:(重要)

映射一个设备是指把用户空间的一段地址关联到设备内存上。当程序读写这段用户空间的地址时，它实际上是在访问设备。
mmap方法是file_oprations结构的成员，在mmap系统调用发出时被调用。在此之前，内核已经完成了很多工作。mmap设备方法所需要做的就是建立虚拟地址到物理地址的页表
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *)
mmap如何完成页表的建立？

1. 使用remap_pfn_range一次建立所有页表;
2. 使用nopage VMA方法每次建立一个页表;

构造页表的工作可由remap_pfn_range函数完成，原型如下：

int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr,unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot)

- vma: 虚拟内存区域指针
- virt_addr: 虚拟地址的起始值
- pfn: 要映射的物理地址所在的物理页帧号，可将物理地址
- >>PAGE_SHIFT得到。
- size:要映射的区域的大小。
- prot: VMA的保护属性。

 1 int memdev_mmap(struct file*filp, struct vm_area_struct *vma)
 2 {
 3     Vma->vm_flags |= VM_IO;
 4     Vma->vm_flags |= VM_RESERVED;
 5     if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start,virt_to_phys(dev-     >data)>> PAGE_SHIFT,size,vma->vm_page_prot))
 6     {
 7     return -EAGAIN;
 8     }
 9     return 0;
10 }

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(二)寄存器与内存

寄存器与内存的区别在哪里呢?

寄存器和 RAM 的主要不同在于寄存器操作有副作用（side effect 或边际效果）:
读取某个地址时可能导致该地址内容发生变化，比如很多设备的中断状态寄存器只要一读取，便自动清零。

内存与I/O:

在X86处理器中存在I/O空间的概念，I/O 空间是相对内存空间而言的，他们是彼此独立的地址空间，在32位的x86系统中，I/O空间大小为64K，内存空间大小为4G。

- X86 支持内存空间、IO空间
- ARM 只支持内存空间
- MIPS 只支持内存空间
- PowerPC 只支持内存空间
- IO端口: 当一个寄存器或内存位于IO空间时，称其为IO端口。
- IO内存: 当一个寄存器或内存位于内存空间时，称其为IO内存。

操作I/O端口: 对I/O端口的操作需按如下步骤完成:

1. 申请
2. 访问
3. 释放

申请I/O端口:

内核提供了一套函数来允许驱动申请它需要的I/O端口，其中核心的函数是: struct resource *request_region(unsigned long first,unsigned long n, const char *name)
这个函数告诉内核，你要使用从 first 开始的n个端口，name参数是设备的名字。如果申请成功，返回非 NULL，申请失败，返回 NULL。

系统中端口的分配情况记录在/proc/ioports 中(展示)。如果不能分配需要的端口，可以来这里查看谁在使用。

访问I/O端口:

I/O端口可分为8-位, 16-位, 和 32-位端口。Linux内核头文件(体系依赖的头文件 <asm/io.h>) 定义了下列内联函数来访问 I/O 端口:

- unsigned inb(unsigned port) 读字节端口( 8 位宽 )
- void outb(unsigned char byte, unsigned port)写字节端口( 8 位宽 )

- unsigned inw(unsigned port)
- void outw(unsigned short word, unsigned port)

存取 16-位端口。

- unsigned inl(unsigned port)
- void outl(unsigned longword, unsigned port)

存取 32-位端口。

释放I/O端口:

当用完一组 I/O 端口(通常在驱动卸载时)，应使用如下函数把它们返还给系统:
void release_region(unsigned long start, unsigned long n)

操作I/O内存:

对I/O内存的操作需按如下步骤完成:

1. 申请
2. 映射
3. 访问
4. 释放

申请I/O内存:

内核提供了一套函数来允许驱动申请它需要的I/O内存，其中核心的函数是:
struct resource *request_mem_region(unsigned long start, unsigned long len, char *name)
这个函数申请一个从start 开始,长度为len 字节的内存区。如果成功,返回非NULL；否则返回NULL，所有已经在使用的I/O内存在/proc/iomem 中列出。

映射I/O内存:

在访问I/O内存之前, 必须进行物理地址到虚拟地址的映射，ioremap 函数具有此功能:
void *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size)

访问I/O内存:

访问 I/O 内存的正确方法是通过一系列内核提供的函数:
从 I/O 内存读, 使用下列之一:

1. unsigned ioread8(void *addr)
2. unsigned ioread16(void *addr)
3. unsigned ioread32(void *addr)

写I/O 内存, 使用下列之一:

1. void iowrite8(u8 value, void *addr)
2. void iowrite16(u16 value, void *addr)
3. void iowrite32(u32 value, void *addr)

老版本的 I/O 内存访问函数:
从 I/O 内存读, 使用下列之一:

1. unsigned readb(address)
2. unsigned readw(address)
3. unsigned readl(address)

写I/O 内存, 使用下列之一:

1. unsigned writeb(unsigned value, address)
2. unsigned writew(unsigned value, address)
3. unsigned writel(unsigned value, address)

释放I/O内存:

(三)混杂设备驱动

定义:

在Linux系统中，存在一类字符设备，它们共享一个主设备号（10），但次设备号不同，我们称这类设备为混杂设备(miscdevice)。所有的混杂设备形成一个链表，对设备访问时内核根据次设备号查找到相应的miscdevice设备。

设备描述:

Linux内核使用struct miscdevice来描述一个混杂设备。
struct miscdevice
{
　　int minor; /* 次设备号*/
　　const char *name; /* 设备名*/
　　const struct file_operations *fops; /*文件操作*/
　　struct list_head list;
　　struct device *parent;
　　struct device *this_device;
};

设备注册:

Linux内核使用misc_register函数来注册一个混杂设备驱动。
int misc_register(struct miscdevice * misc)

(四)LED驱动程序设计

上拉/下拉电阻:

上拉是将不确定的信号通过一个电阻与电源相连，固定在高电平。下拉是将不确定的信号通过一个电阻与地相连，固定在低电平。上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流。当一个接有上拉电阻的I/O端口设为输入状态时，它的常态为高电平，可用于检测低电平的输入。