三、UNIX系统下的设备驱动程序
　　
　　　　3.1、UNIX下设备驱动程序的基本结构
　　
　　　　在UNIX系统里，对用户程序而言，设备驱动程序隐藏了设备的具体细节，对各种不同设备提供了一致的接口，一般来说是把设备映射为一个特殊的设备文件，用户程序可以象对其它文件一样对此设备文件进行操作。UNIX对硬件设备支持两个标准接口：块特别设备文件和字符特别设备文件，通过块（字符）特别设备文件存取的设备称为块（字符）设备或具有块（字符）设备接口。
　　
　　　　块设备接口仅支持面向块的I/O操作，所有I/O操作都通过在内核地址空间中的I/O缓冲区进行，它可以支持几乎任意长度和任意位置上的I/O请求，即提供随机存取的功能。
　　
　　　　字符设备接口支持面向字符的I/O操作，它不经过系统的快速缓存，所以它们负责管理自己的缓冲区结构。字符设备接口只支持顺序存取的功能，一般不能进行任意长度的I/O请求，而是限制I/O请求的长度必须是设备要求的基本块长的倍数。显然，本程序所驱动的串行卡只能提供顺序存取的功能，属于是字符设备，因此后面的讨论在两种设备有所区别时都只涉及字符型设备接口。
　　
　　　　设备由一个主设备号和一个次设备号标识。主设备号唯一标识了设备类型，即设备驱动程序类型，它是块设备表或字符设备表中设备表项的索引。次设备号仅由设备驱动程序解释，一般用于识别在若干可能的硬件设备中，I/O请求所涉及到的那个设备。
　　
　　　　设备驱动程序可以分为三个主要组成部分：
　　
　　　　(1) 自动配置和初始化子程序，负责检测所要驱动的硬件设备是否存在和是否能正常工作。如果该设备正常，则对这个设备及其相关的、设备驱动程序需要的软件状态进行初始化。这部分驱动程序仅在初始化的时候被调用一次。
　　
　　　　(2) 服务于I/O请求的子程序，又称为驱动程序的上半部分。调用这部分是由于系统调用的结果。这部分程序在执行的时候，系统仍认为是和进行调用的进程属于同一个进程，只是由用户态变成了核心态，具有进行此系统调用的用户程序的运行环境，因此可以在其中调用sleep()等与进程运行环境有关的函数。
　　
　　　　(3) 中断服务子程序，又称为驱动程序的下半部分。在UNIX系统中，并不是直接从中断向量表中调用设备驱动程序的中断服务子程序，而是由UNIX系统来接收硬件中断，再由系统调用中断服务子程序。中断可以产生在任何一个进程运行的时候，因此在中断服务程序被调用的时候，不能依赖于任何进程的状态，也就不能调用任何与进程运行环境有关的函数。因为设备驱动程序一般支持同一类型的若干设备，所以一般在系统调用中断服务子程序的时候，都带有一个或多个参数，以唯一标识请求服务的设备。
　　
　　　　在系统内部，I/O设备的存取通过一组固定的入口点来进行，这组入口点是由每个设备的设备驱动程序提供的。一般来说，字符型设备驱动程序能够提供如下几个入口点：
　　
　　　　(1) open入口点。打开设备准备I/O操作。对字符特别设备文件进行打开操作，都会调用设备的open入口点。open子程序必须对将要进行的I/O操作做好必要的准备工作，如清除缓冲区等。如果设备是独占的，即同一 时刻只能有一个程序访问此设备，则open子程序必须设置一些标志以表示设备处于忙状态。
　　
　　　　(2) close入口点。关闭一个设备。当最后一次使用设备终结后，调用close子程序。独占设备必须标记设备可再次使用。
　　
　　　　(3) read入口点。从设备上读数据。对于有缓冲区的I/O操作，一般是从缓冲区里读数据。对字符特别设备文件进行读操作将调用read子程序。
　　
　　　　(4) write入口点。往设备上写数据。对于有缓冲区的I/O操作，一般是把数据写入缓冲区里。对字符特别设备文件进行写操作将调用write子程序。
　　
　　　　(5) ioctl入口点。执行读、写之外的操作。
　　
　　　　(6) select入口点。检查设备，看数据是否可读或设备是否可用于写数据。select系统调用在检查与设备特别文件相关的文件描述符时使用select入口点。如果设备驱动程序没有提供上述入口点中的某一个，系统会用缺省的子程序来代替。对于不同的系统，也还有一些其它的入口点。
　　
　　　　3.2、LINUX系统下的设备驱动程序
　　
　　　　具体到LINUX系统里，设备驱动程序所提供的这组入口点由一个结构来向系统进行说明，此结构定义为：
　　
　　#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提供了关于特别设备文件/dev/driver（假设此设备名为driver）的信息，它的定义为：
　　
　　#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主要用于与文件系统对应的设备驱动程序使用。当然，其它设备驱动程序也可以使用它。它提供关于被打开的文件的信息，定义为：
　　
　　#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*/
　　};
　　
　　　　在结构file_operations里，指出了设备驱动程序所提供的入口点位置，分别是：
　　
　　　　(1) lseek，移动文件指针的位置，显然只能用于可以随机存取的设备。
　　
　　　　(2) read，进行读操作，参数buf为存放读取结果的缓冲区，count为所要读取的数据长度。返回值为负表示读取操作发生错误，否则返回实际读取的字节数。对于字符型，要求读取的字节数和返回的实际读取字节数都必须是inode->i_blksize的的倍数。
　　
　　　　(3) write，进行写操作，与read类似。
　　
　　　　(4) readdir，取得下一个目录入口点，只有与文件系统相关的设备驱动程序才使用。
　　
　　　　(5) selec，进行选择操作，如果驱动程序没有提供select入口，select操作将会认为设备已经准备好进行任何的I/O操作。
　　
　　　　(6) ioctl，进行读、写以外的其它操作，参数cmd为自定义的的命令。