三、UNIX系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動程序
　　
　　　　3.1、UNIX下設(shè)備驅(qū)動程序的基本結(jié)構(gòu)
　　
　　　　在UNIX系統(tǒng)里，對用戶程序而言，設(shè)備驅(qū)動程序隱藏了設(shè)備的具體細節(jié)，對各種不同設(shè)備提供了一致的接口，一般來說是把設(shè)備映射為一個特殊的設(shè)備文件，用戶程序可以象對其它文件一樣對此設(shè)備文件進行操作。UNIX對硬件設(shè)備支持兩個標(biāo)準(zhǔn)接口：塊特別設(shè)備文件和字符特別設(shè)備文件，通過塊（字符）特別設(shè)備文件存取的設(shè)備稱為塊（字符）設(shè)備或具有塊（字符）設(shè)備接口。
　　
　　　　塊設(shè)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(nèi)核地址空間中的I/O緩沖區(qū)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(shè)備接口支持面向字符的I/O操作，它不經(jīng)過系統(tǒng)的快速緩存，所以它們負責(zé)管理自己的緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)。字符設(shè)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(shè)備要求的基本塊長的倍數(shù)。顯然，本程序所驅(qū)動的串行卡只能提供順序存取的功能，屬于是字符設(shè)備，因此后面的討論在兩種設(shè)備有所區(qū)別時都只涉及字符型設(shè)備接口。
　　
　　　　設(shè)備由一個主設(shè)備號和一個次設(shè)備號標(biāo)識。主設(shè)備號唯一標(biāo)識了設(shè)備類型，即設(shè)備驅(qū)動程序類型，它是塊設(shè)備表或字符設(shè)備表中設(shè)備表項的索引。次設(shè)備號僅由設(shè)備驅(qū)動程序解釋，一般用于識別在若干可能的硬件設(shè)備中，I/O請求所涉及到的那個設(shè)備。
　　
　　　　設(shè)備驅(qū)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(zé)檢測所要驅(qū)動的硬件設(shè)備是否存在和是否能正常工作。如果該設(shè)備正常，則對這個設(shè)備及其相關(guān)的、設(shè)備驅(qū)動程序需要的軟件狀態(tài)進行初始化。這部分驅(qū)動程序僅在初始化的時候被調(diào)用一次。
　　
　　　　(2) 服務(wù)于I/O請求的子程序，又稱為驅(qū)動程序的上半部分。調(diào)用這部分是由于系統(tǒng)調(diào)用的結(jié)果。這部分程序在執(zhí)行的時候，系統(tǒng)仍認為是和進行調(diào)用的進程屬于同一個進程，只是由用戶態(tài)變成了核心態(tài)，具有進行此系統(tǒng)調(diào)用的用戶程序的運行環(huán)境，因此可以在其中調(diào)用sleep()等與進程運行環(huán)境有關(guān)的函數(shù)。
　　
　　　　(3) 中斷服務(wù)子程序，又稱為驅(qū)動程序的下半部分。在UNIX系統(tǒng)中，并不是直接從中斷向量表中調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序的中斷服務(wù)子程序，而是由UNIX系統(tǒng)來接收硬件中斷，再由系統(tǒng)調(diào)用中斷服務(wù)子程序。中斷可以產(chǎn)生在任何一個進程運行的時候，因此在中斷服務(wù)程序被調(diào)用的時候，不能依賴于任何進程的狀態(tài)，也就不能調(diào)用任何與進程運行環(huán)境有關(guān)的函數(shù)。因為設(shè)備驅(qū)動程序一般支持同一類型的若干設(shè)備，所以一般在系統(tǒng)調(diào)用中斷服務(wù)子程序的時候，都帶有一個或多個參數(shù)，以唯一標(biāo)識請求服務(wù)的設(shè)備。
　　
　　　　在系統(tǒng)內(nèi)部，I/O設(shè)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(shè)備的設(shè)備驅(qū)動程序提供的。一般來說，字符型設(shè)備驅(qū)動程序能夠提供如下幾個入口點：
　　
　　　　(1) open入口點。打開設(shè)備準(zhǔn)備I/O操作。對字符特別設(shè)備文件進行打開操作，都會調(diào)用設(shè)備的open入口點。open子程序必須對將要進行的I/O操作做好必要的準(zhǔn)備工作，如清除緩沖區(qū)等。如果設(shè)備是獨占的，即同一 時刻只能有一個程序訪問此設(shè)備，則open子程序必須設(shè)置一些標(biāo)志以表示設(shè)備處于忙狀態(tài)。
　　
　　　　(2) close入口點。關(guān)閉一個設(shè)備。當(dāng)最后一次使用設(shè)備終結(jié)后，調(diào)用close子程序。獨占設(shè)備必須標(biāo)記設(shè)備可再次使用。
　　
　　　　(3) read入口點。從設(shè)備上讀數(shù)據(jù)。對于有緩沖區(qū)的I/O操作，一般是從緩沖區(qū)里讀數(shù)據(jù)。對字符特別設(shè)備文件進行讀操作將調(diào)用read子程序。
　　
　　　　(4) write入口點。往設(shè)備上寫數(shù)據(jù)。對于有緩沖區(qū)的I/O操作，一般是把數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)里。對字符特別設(shè)備文件進行寫操作將調(diào)用write子程序。
　　
　　　　(5) ioctl入口點。執(zhí)行讀、寫之外的操作。
　　
　　　　(6) select入口點。檢查設(shè)備，看數(shù)據(jù)是否可讀或設(shè)備是否可用于寫數(shù)據(jù)。select系統(tǒng)調(diào)用在檢查與設(shè)備特別文件相關(guān)的文件描述符時使用select入口點。如果設(shè)備驅(qū)動程序沒有提供上述入口點中的某一個，系統(tǒng)會用缺省的子程序來代替。對于不同的系統(tǒng)，也還有一些其它的入口點。
　　
　　　　3.2、LINUX系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動程序
　　
　　　　具體到LINUX系統(tǒng)里，設(shè)備驅(qū)動程序所提供的這組入口點由一個結(jié)構(gòu)來向系統(tǒng)進行說明，此結(jié)構(gòu)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(guān)于特別設(shè)備文件/dev/driver（假設(shè)此設(shè)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主要用于與文件系統(tǒng)對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序使用。當(dāng)然，其它設(shè)備驅(qū)動程序也可以使用它。它提供關(guān)于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(jié)構(gòu)file_operations里，指出了設(shè)備驅(qū)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，顯然只能用于可以隨機存取的設(shè)備。
　　
　　　　(2) read，進行讀操作，參數(shù)buf為存放讀取結(jié)果的緩沖區(qū)，count為所要讀取的數(shù)據(jù)長度。返回值為負表示讀取操作發(fā)生錯誤，否則返回實際讀取的字節(jié)數(shù)。對于字符型，要求讀取的字節(jié)數(shù)和返回的實際讀取字節(jié)數(shù)都必須是inode->i_blksize的的倍數(shù)。
　　
　　　　(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(tǒng)相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序才使用。
　　
　　　　(5) selec，進行選擇操作，如果驅(qū)動程序沒有提供select入口，select操作將會認為設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)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(shù)cmd為自定義的的命令。