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，用於把設備的內容映射到地址空間，一般只有塊設備驅動程序使 用。
( open，打開設備准備進行I/O操作。返回0表示打開成功，返回負數表 示失敗。如果驅動程序沒有提供open入口，則只要/dev/driver文件存 在就認為打開成功。
(9) release，即close操作。 設備驅動程序所提供的入口點，在設備驅動程序初始化的時候向系統進行登 記，以便系統在適當的時候調用。LINUX系統裡，通過調用register_chrdev 向系統注冊字符型設備驅動程序。register_chrdev定義為：
#include
#include
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
struct file_operations *fops);
其中，major是為設備驅動程序向系統申請的主設備號，如果為0則系統為此 驅動程序動態地分配一個主設備號。name是設備名。fops就是前面所說的對各個 調用的入口點的說明。此函數返回0表示成功。返回-EINVAL表示申請的主設備號 非法，一般來說是主設備號大於系統所允許的最大設備號。返回-EBUSY表示所申 請的主設備號正在被其它設備驅動程序使用。如果是動態分配主設備號成功，此 函數將返回所分配的主設備號。如果register_chrdev操作成功，設備名就會出 現在/proc/devices文件裡。
初始化部分一般還負責給設備驅動程序申請系統資源，包括內存、中斷、時 鐘、I/O端口等，這些資源也可以在open子程序或別的地方申請。在這些資源不 用的時候，應該釋放它們，以利於資源的共享。 在UNIX系統裡，對中斷的處理是屬於系統核心的部分，因此如果設備與系
統之間以中斷方式進行數據交換的話，就必須把該設備的驅動程序作為系統核心 的一部分。設備驅動程序通過調用request_irq函數來申請中斷，通過free_irq 來釋放中斷。它們的定義為：
#include
int request_irq(unsigned int irq,
void (*handler)(int irq,void dev_id,struct pt_regs *regs),
unsigned long flags,
const char *device,
void *dev_id);
void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);
參數說明：
參數irq表示所要申請的硬件中斷號。handler為向系統登記的中斷處理子 程序，中斷產生時由系統來調用，調用時所帶參數irq為中斷號，dev_id為申 請時告訴系統的設備標識，regs為中斷發生時寄存器內容。device為設備名， 將會出現在/proc/interrupts文件裡。flag是申請時的選項，它決定中斷處理 程序的一些特性，其中最重要的是中斷處理程序是快速處理程序（flag裡設置
了SA_INTERRUPT）還是慢速處理程序（不設置SA_INTERRUPT），快速處理程序 運行時，所有中斷都被屏蔽，而慢速處理程序運行時，除了正在處理的中斷外， 其它中斷都沒有被屏蔽。在LINUX系統中，中斷可以被不同的中斷處理程序共享， 這要求每一個共享此中斷的處理程序在申請中斷時在flags裡設置SA_SHIRQ， 這些處理程序之間以dev_id來區分。如果中斷由某個處理程序獨占，則dev_id 可以為NULL。request_irq返回0表示成功，返回-INVAL表示irq>15或 handler==NULL，返回-EBUSY表示中斷已經被占用且不能共享。 作為系統核心的一部分，設備驅動程序在申請和釋放內存時不是調用malloc 和free，而代之以調用kmalloc和kfree，它們被定義為：
#include
void * kmalloc(unsigned int len, int priority);
void kfree(void * obj);
參數len為希望申請的字節數，obj為要釋放的內存指針。priority為分配內存操 作的優先級，即在沒有足夠空閒內存時如何操作，一般用GFP_KERNEL。 與中斷和內存不同，使用一個沒有申請的I/O端口不會使CPU產生異常，也 就不會導致諸如“segmentation fault"一類的錯誤發生。任何進程都可以訪問 任何一個I/O端口。此時系統無法保證對I/O端口的操作不會發生沖突，甚至會 因此而使系統崩潰。因此，在使用I/O端口前，也應該檢查此I/O端口是否已有 別的程序在使用，若沒有，再把此端口標記為正在使用，在使用完以後釋放它。
這樣需要用到如下幾個函數：
int check_region(unsigned int from, unsigned int extent);
void request_region(unsigned int from, unsigned int extent,
const char *name);
void release_region(unsigned int from, unsigned int extent);
調用這些函數時的參數為：from表示所申請的I/O端口的起始地址； extent為所要申請的從from開始的端口數；name為設備名，將會出現在
/proc/ioports文件裡。check_region返回0表示I/O端口空閒，否則為正在 被使用。
在申請了I/O端口之後，就可以如下幾個函數來訪問I/O端口：
#include
inline unsigned int inb(unsigned short port);
inline unsigned int inb_p(unsigned short port);
inline void outb(char value, unsigned short port);
inline void outb_p(char value, unsigned short port);
其中inb_p和outb_p插入了一定的延時以適應某些慢的I/O端口。 在設備驅動程序裡，一般都需要用到計時機制。在LINUX系統中，時鐘是由 系統接管，設備驅動程序可以向系統申請時鐘。與時鐘有關的系統調用有：
#include
#include
void add_timer(struct timer_list * timer);
int del_timer(struct timer_list * timer);
inline void init_timer(struct timer_list * timer);
struct timer_list的定義為：
struct timer_list {
struct timer_list *next;
struct timer_list *prev;
unsigned long expires;
unsigned long data;
void (*function)(unsigned long d);
};
其中expires是要執行function的時間。系統核心有一個全局變量JIFFIES 表示當前時間，一般在調用add_timerjiffies=JIFFIES+num,表示在num個 系統最小時間間隔後執行function。系統最小時間間隔與所用的硬件平台有關， 在核心裡定義了常數HZ表示一秒內最小時間間隔的數目，則num*HZ表示num 秒。系統計時到預定時間就調用function，並把此子程序從定時隊列裡刪除， 因此如果想要每隔一定時間間隔執行一次的話，就必須在function裡再一次調 用add_timer。function的參數d即為timer裡面的data項。
在設備驅動程序裡，還可能會用到如下的一些系統函數：
#include
#define cli() __asm__ __volatile__ ("cli":
#define sti() __asm__ __volatile__ ("sti":
這兩個函數負責打開和關閉中斷允許。
#include
void memcpy_fromfs(void * to,const void * from,unsigned long n);
void memcpy_tofs(void * to,const void * from,unsigned long n);
在用戶程序調用read 、write時，因為進程的運行狀態由用戶態變為核心 態，地址空間也變為核心地址空間。而read、write中參數buf是指向用戶程 序的私有地址空間的，所以不能直接訪問，必須通過上述兩個系統函數來訪問用 戶程序的私有地址空間。memcpy_fromfs由用戶程序地址空間往核心地址空間 復制，memcpy_tofs則反之。參數to為復制的目的指針，from為源指針，n 為要復制的字節數。
在設備驅動程序裡，可以調用printk來打印一些調試信息，用法與printf 類似。printk打印的信息不僅出現在屏幕上，同時還記錄在文件syslog裡。
3.3、LINUX系統下的具體實現
在LINUX裡，除了直接修改系統核心的源代碼，把設備驅動程序加進核心裡 以外，還可以把設備驅動程序作為可加載的模塊，由系統管理員動態地加載它， 使之成為核心地一部分。也可以由系統管理員把已加載地模塊動態地卸載下來。 LINUX中，模塊可以用C語言編寫，用gcc編譯成目標文件（不進行鏈接，作 為*.o文件存在），為此需要在gcc命令行裡加上-c的參數。在編譯時，還應該在 gcc的命令行裡加上這樣的參數：-D__KERNEL__ -DMODULE。由於在不鏈接時， gcc只允許一個輸入文件，因此一個模塊的所有部分都必須在一個文件裡實現。
編譯好的模塊*.o放在/lib/modules/xxxx/misc下（xxxx表示核心版本，如 在核心版本為2.0.30時應該為/lib/modules/2.0.30/misc），然後用depmod -a 使此模塊成為可加載模塊。模塊用insmod命令加載，用rmmod命令來卸載，並可 以用lsmod命令來查看所有已加載的模塊的狀態。
編寫模塊程序的時候，必須提供兩個函數，一個是int init_module(void)， 供insmod在加載此模塊的時候自動調用，負責進行設備驅動程序的初始化工作。 init_module返回0以表示初始化成功，返回負數表示失敗。另一個函數是void cleanup_module (void)，在模塊被卸載時調用，負責進行設備驅動程序的清除 工作。
在成功的向系統注冊了設備驅動程序後（調用register_chrdev成功後）， 就可以用mknod命令來把設備映射為一個特別文件，其它程序使用這個設備的時 候，只要對此特別文件進行操作就行了。
