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标题: 深入浅出Linux设备驱动之字符设备驱动程序 [打印本页]

作者: dreamice 时间: 2008-08-05 09:33
标题: 深入浅出Linux设备驱动之字符设备驱动程序
深入浅出Linux设备驱动之字符设备驱动程序
字符设备驱动程序

Linux下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合，通过这些函数使得linux的设备操作犹如文件一般。在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作，如open()、close()、read()、write() 等。

Linux主要将设备分为二类：字符设备和块设备。字符设备是指设备发送和接收数据以字符的形式进行；而块设备则以整个数据缓冲区的形式进行。字符设备的驱动相对比较简单。

下面我们来假设一个非常简单的虚拟字符设备：这个设备中只有一个4个字节的全局变量int global_var，而这个设备的名字叫做"globalvar"。对"globalvar"设备的读写等操作即是对其中全局变量global_var的操作。

驱动程序是内核的一部分，因此我们需要给其添加模块初始化函数，该函数用来完成对所控设备的初始化工作，并调用register_chrdev() 函数注册字符设备：
static int __init globalvar_init(void)
{
if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " globalvar ", &globalvar_fops))

　{

　　//…注册失败

　}

　else

　{

　　//…注册成功

　}
}

其中，register_chrdev函数中的参数MAJOR_NUM为主设备号, "globalvar"为设备名，globalvar_fops为包含基本函数入口点的结构体，类型为file_operations。当globalvar模块被加载时，globalvar_init被执行，它将调用内核函数register_chrdev，把驱动程序的基本入口点指针存放在内核的字符设备地址表中，在用户进程对该设备执行系统调用时提供入口地址。

与模块初始化函数对应的就是模块卸载函数，需要调用register_chrdev()的"反函数" unregister_chrdev()：

static void __exit globalvar_exit(void)

{

　if (unregister_chrdev(MAJOR_NUM, " globalvar "))

　{

　　//…卸载失败

　}

　else

　{

　　//…卸载成功

　}

}

随着内核不断增加新的功能，file_operations结构体已逐渐变得越来越大，但是大多数的驱动程序只是利用了其中的一部分。对于字符设备来说，要提供的主要入口有：open()、release()、read()、write()、ioctl()、llseek()、poll()等。

open()函数　对设备特殊文件进行open()系统调用时，将调用驱动程序的open() 函数：

int (*open)(struct inode * ,struct file *);

其中参数inode为设备特殊文件的inode (索引结点) 结构的指针，参数file是指向这一设备的文件结构的指针。open()的主要任务是确定硬件处在就绪状态、验证次设备号的合法性(次设备号可以用 MINOR(inode-> i - rdev) 取得)、控制使用设备的进程数、根据执行情况返回状态码(0表示成功，负数表示存在错误)等；

release()函数　当最后一个打开设备的用户进程执行close ()系统调用时，内核将调用驱动程序的release() 函数：

void (*release) (struct inode * ,struct file *) ;

release 函数的主要任务是清理未结束的输入/输出操作、释放资源、用户自定义排他标志的复位等。

read()函数　当对设备特殊文件进行read() 系统调用时，将调用驱动程序read()函数：
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);

用来从设备中读取数据。当该函数指针被赋为NULL 值时，将导致read 系统调用出错并返回-EINVAL（"Invalid argument，非法参数"）。函数返回非负值表示成功读取的字节数（返回值为"signed size"数据类型，通常就是目标平台上的固有整数类型）。

globalvar_read函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2节所介绍的函数：

static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)

{

　…

　copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int));

　…

}

write( ) 函数　当设备特殊文件进行write()系统调用时，将调用驱动程序的write()函数：

ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);

向设备发送数据。如果没有这个函数，write 系统调用会向调用程序返回一个-EINVAL。如果返回值非负，则表示成功写入的字节数。

globalvar_write函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2节所介绍的函数：

static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t　*off)

{

…

copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int));

…

}

ioctl() 函数　该函数是特殊的控制函数，可以通过它向设备传递控制信息或从设备取得状态信息，函数原型为：

int (*ioctl) (struct inode * ,struct file * ,unsigned int ,unsigned long);

unsigned int参数为设备驱动程序要执行的命令的代码，由用户自定义，unsigned long参数为相应的命令提供参数，类型可以是整型、指针等。如果设备不提供ioctl 入口点，则对于任何内核未预先定义的请求，ioctl 系统调用将返回错误（-ENOTTY，"No such ioctl fordevice，该设备无此ioctl 命令"）。如果该设备方法返回一个非负值，那么该值会被返回给调用程序以表示调用成功。

llseek()函数该函数用来修改文件的当前读写位置，并将新位置作为（正的）返回值返回，原型为：

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

poll()函数 poll方法是poll和select这两个系统调用的后端实现，用来查询设备是否可读或可写，或是否处于某种特殊状态，原型为：
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

我们将在"设备的阻塞与非阻塞操作"一节对该函数进行更深入的介绍。

设备"globalvar"的驱动程序的这些函数应分别命名为globalvar_open、 globalvar_ release、globalvar_read、globalvar_write、gobalvar_ioctl，因此设备"globalvar"的基本入口点结构变量gobalvar_fops 赋值如下：

struct file_operations globalvar_fops = {

　read: globalvar_read,

　write: globalvar_write,

};

上述代码中对globalvar_fops的初始化方法并不是标准C所支持的，属于GNU扩展语法。

完整的globalvar.c文件源代码如下：

#include <linux/module.h>

#include <linux/init.h>

#include <linux/fs.h>

#include <asm/uaccess.h>

MODULE_LICENSE("GPL");

#define MAJOR_NUM 254 //主设备号

static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*);

static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);

//初始化字符设备驱动的file_operations结构体

struct file_operations globalvar_fops =

{

　read: globalvar_read,

write: globalvar_write,

};

static int global_var = 0; //"globalvar"设备的全局变量

static int __init globalvar_init(void)

{

　int ret;

　//注册设备驱动

　ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops);

　if (ret)

　{

　　printk("globalvar register failure");

　}

　else

　{

　　printk("globalvar register success");

　}

　return ret;

}

static void __exit globalvar_exit(void)

{

　int ret;

　//注销设备驱动

　ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");

　if (ret)

　{

　　printk("globalvar unregister failure");

　}

　else

　{

　　printk("globalvar unregister success");

　}

}

static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)

{

　//将global_var从内核空间复制到用户空间

　if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))

　{

　　return - EFAULT;

　}

　return sizeof(int);

}

static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t　*off)

{

　//将用户空间的数据复制到内核空间的global_var

　if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))

　{

　　return - EFAULT;

　}

　return sizeof(int);

}

module_init(globalvar_init);

module_exit(globalvar_exit);

　Makefile文件如下：
CC =/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-gcc
KERNELDIR=/home/work/linux-2.4
CFLAGS =-D__KERNEL__ -DMODULE -I$(KERNELDIR)/include -O -Wall
globalvar.o:globalvar.c

$(CC)$(CFLAGS) -c $<

clean:
rm -rf *.o

　　编译代码，运行：

insmod globalvar.o加载globalvar模块。

　　接着我们运行：mknod /dev/globalvar c 254 0
创建设备节点，用户进程通过/dev/globalvar这个路径就可以访问到这个全局变量虚拟设备了。
我们写一个用户态的程序globalvartest.c来验证上述设备：

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <stdio.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>//原文遗漏，添加上。

main()

{

　int fd, num;

　//打开"/dev/globalvar"

　fd = open("/dev/globalvar", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);

　if (fd != -1 )

　{

　　//初次读globalvar

　　read(fd, &num, sizeof(int));

　　printf("The globalvar is %d\n", num);

　　//写globalvar

　　printf("Please input the num written to globalvar\n");

　　scanf("%d", &num);

　　write(fd, &num, sizeof(int));

　　//再次读globalvar

　　read(fd, &num, sizeof(int));

　　printf("The globalvar is %d\n", num);

　　//关闭"/dev/globalvar"

　　close(fd);

　}

　else

　{

　　printf("Device open failure\n");

　}

}

　　编译上述文件，Makefile文件如下：

CC=/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-gcc
CFLAGS= -Wall

globalvartest:globalvartest.c
$(CC) $(CFLAGS) -o $@ $<
clean:
rm -f *.o
rm -f globalvartest

　　运行

./globalvartest.o

可以发现"globalvar"设备可以正确的读写。

作者: dreamice 时间: 2008-08-05 09:34
希望可以结合LDD3来看这个驱动程序，并实践之，达到真正领悟的目的。

作者: zhj1011 时间: 2008-11-18 15:11
标题: 回复 #1 dreamice 的帖子
正在看楼主推荐的老外的硬件教程

作者: dreamice 时间: 2008-11-18 15:12

原帖由 zhj1011 于 2008-11-18 15:11 发表
正在看楼主推荐的老外的硬件教程

其实那个没必要看得太深入，毕竟你以后不搞硬件，只要能读懂datasheet和电路图，也就足可应付驱动程序的编写了

作者: zhj1011 时间: 2008-11-18 15:18
硬件放的太久了都不记得了我想大致看看了解些基本原理做驱动也会容易上手些楼主意向如何？

作者: zhj1011 时间: 2008-11-18 15:34

原帖由 dreamice 于 2008-11-18 15:12 发表

其实那个没必要看得太深入，毕竟你以后不搞硬件，只要能读懂datasheet和电路图，也就足可应付驱动程序的编写了

我看看硬件的东西然后参照Tekkaman Ninja的LINUX设备驱动程序学习的路线走我刚到公司在实习没有安排实际任务给我的

作者: zhj1011 时间: 2008-11-18 15:35
标题: 回复 #4 dreamice 的帖子
楼主指导指导小弟驱动该怎么入门啊？？？

作者: dreamice 时间: 2008-11-18 15:45

原帖由 zhj1011 于 2008-11-18 15:35 发表
楼主指导指导小弟驱动该怎么入门啊？？？

学驱动必看之书：LDD3
如果你基础不错，直接钻研这本书及其例子。
ps：在这里没有小弟，只有兄弟，呵呵。

作者: zhj1011 时间: 2008-11-18 15:50
标题: 回复 #8 dreamice 的帖子
呵呵谢谢楼主啊

作者: zhj1011 时间: 2008-11-18 15:51

原帖由 dreamice 于 2008-11-18 15:45 发表

学驱动必看之书：LDD3
如果你基础不错，直接钻研这本书及其例子。
ps：在这里没有小弟，只有兄弟，呵呵。

今年出了本宋宝华的LINUX设备驱动开发详解不知楼主对它的评价如何？？？

作者: dreamice 时间: 2008-11-18 15:58

原帖由 zhj1011 于 2008-11-18 15:51 发表

今年出了本宋宝华的LINUX设备驱动开发详解不知楼主对它的评价如何？？？

总体感觉不错，上面很多具体的例子，都是结合实际的硬件编写的。
但LDD3与内核相关知识点及其驱动构架之类的，讲的更深入一些，这是其它书无法比拟的。

作者: zhj1011 时间: 2008-11-18 16:02

原帖由 dreamice 于 2008-11-18 15:58 发表

总体感觉不错，上面很多具体的例子，都是结合实际的硬件编写的。
但LDD3与内核相关知识点及其驱动构架之类的，讲的更深入一些，这是其它书无法比拟的。

呵呵好那我就安心钻研LDD3 谢谢楼主

作者: dreamice 时间: 2008-11-18 16:06

原帖由 zhj1011 于 2008-11-18 16:02 发表

呵呵好那我就安心钻研LDD3 谢谢楼主

大家一起多多交流

作者: Godbach 时间: 2008-11-18 16:58
好贴。
BTW，版主这个帖子讲的字符设备是2.4内核下的吧

作者: dreamice 时间: 2008-11-18 17:10

原帖由 Godbach 于 2008-11-18 16:58 发表
好贴。
BTW，版主这个帖子讲的字符设备是2.4内核下的吧

比较老了，应该是2.4的，不过这个框架还是比较好的

作者: Godbach 时间: 2008-11-18 17:26

原帖由 dreamice 于 2008-11-18 17:10 发表

比较老了，应该是2.4的，不过这个框架还是比较好的

恩，是的。

作者: hello_ldd3 时间: 2008-11-19 08:32
试试这个贴字中的测试程序，看到到底是什么问题。恩。谢谢刚刚发现这个贴字！！

作者: yikaikai 时间: 2008-11-20 16:31
宋出的那本书是不是错误很多？

作者: dreamice 时间: 2008-11-20 16:47

原帖由 yikaikai 于 2008-11-20 16:31 发表
宋出的那本书是不是错误很多？

有时候发现错误也是一种挑战和提高

作者: jakepain 时间: 2008-11-20 16:53

原帖由 yikaikai 于 2008-11-20 16:31 发表
宋出的那本书是不是错误很多？

我还是舍不得买，觉得价格太贵！

作者: js001sdx 时间: 2009-08-14 17:07
学习

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