字符設備驅動框架

1、Linux中設備分類：按照對設備的訪問方式可分為以下三類：1. 字符設備(char device)(1) 例如：鍵盤、鼠標、串口、幀緩存等；(2) 通過/dev/下的設備節(jié)點訪問；以字節(jié)為單位訪問；(3) 一般只支持順序訪問；(特例：幀緩存framebuffer)(4) 無緩沖。2. 塊設備(block device)(1) 例如：磁盤、光驅、flash等；(2) 以固定大小為單位訪問：磁盤以扇區(qū)(512B)為單位；flash以頁為單位。(3) 支持隨機訪問；(4) 有緩沖(減少磁盤IO，提高效率)。3. 網絡設備(network device)(1) 無設備文件(節(jié)點)；(2) 應用層通過s

2、ocket接口訪問網絡設備(報文發(fā)送和接收的媒介)。設備驅動在內核中的結構：1. VFS虛擬文件系統(tǒng)作用：向應用層提供一致的文件訪問接口，正是由于VFS的存在，才可以將設備以文件的方式訪問。2. 虛擬文件系統(tǒng)，存在于內存中，不在磁盤上，掉電丟失。例如：/proc、/sys、/tmp。設備號：1. 作用：唯一地標識一個設備；2. 類型：dev_t devno;即32位無符號整型；3. 組成：31 主設備號major 2019 次設備號minor 0(1) 主設備號：用于區(qū)分不同類型(按功能劃分)的設備；(2) 此設備號：用于區(qū)分相同類型的不同設備。注意：相同類型的設備(主設備號相同)可以使用同一

3、個驅動。4. 構建設備號：int major = 250; int minor = 0;(1) dev_t devno = (major << 20) | minor;不建議使用；(2) 利用宏來構建：dev_t devno = MKDEV (major, minor);注意：我們可以通過文件$(srctree)/documentation/device.txt來查看內核對設備號的分配情況。(1) 該文本中的有對應設備文件的設備號是已經被申請過的，我們不可以重復使用(申請)；(2) 從中可以看出，我們在編寫驅動程序時可以使用的主設備號范圍為240254，為了方便記憶，通常使用250

4、作為主設備號。字符設備驅動框架：驅動：作用，為應用層提供訪問設備的接口(對設備發(fā)的各種操作)。一、 申請設備號1. 構建設備號：dev_t devno = MKDEV (major, minor);2. 申請設備號：(1) 動態(tài)申請：alloc_chrdev_region；(2) 靜態(tài)申請： register_chrdev_region。(3) 靜態(tài)申請設備號的優(yōu)缺點：優(yōu)點：可以提前創(chuàng)建設備文件；缺點：有可能會發(fā)成沖突，導致申請失敗。(4) register_chrdev_region函數詳解：注意： 最后一個參數是設備名稱。且在/proc/devices下會有關于當前系統(tǒng)已經注冊成功的設備信

5、息； 申請設備號應在加載函數中實現(xiàn)；同時，在卸載函數中我們也要調用unregister_chrdev_region來釋放設備號。二、 實現(xiàn)操作集合struct file_operations struct file_operations struct module *owner;loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);ssize_t (*read) (struct file *, char _user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*write) (struct file *,const char _user *

6、,size_t,loff_t *);unsigned int (*poll) (struct fiel *, poll_table *);int (*fasync) (int, struct file *, int);long (*unlock_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);int (*open) (struct inode *, struct file *);int (*release) (struct inode

7、 *, struct file *);int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);除owner成員外，其他成員均是對文件進行相關操作的函數指針。1. 對設備的大多數操作函數都有參數struct file *filp；2. 在起始階段我們可以先定義一個空的操作集合：struct file_operations .owner = THIS_MODULE ;注意：(1) 可以看出宏THIS_MODULE代表結構體struct module的起始地址；(

8、2) 我們可以通過“.<struct_member_name> = <>,”語法來給結構體指定成員賦值。三、 注冊字符設備：1. 通過結構體struct cdev將設備號devno和操作集合file_operations關聯(lián)起來；2. 并將cdev結構體加入到內核維護的cdev鏈表中。(計算機系統(tǒng)支持很多字符設備，內核會維護一個cdev鏈表，這樣我們就可以通過設備號找到對應的操作集合了)3. cdev結構體的定義如下：4. 我們通過調用內核函數cdev_init和cdev_add來完成字符設備的注冊。注意：注冊字符設備應在加載函數中實現(xiàn)；同時，在卸載函數中，我們要調用c

9、dev_del函數來注銷字符設備。且注銷字符設備應在釋放設備號之前進行。應用層如何訪問設備：1. 在Linux中一切皆文件；2. 因為VFS(向應用層提供一致的文件訪問接口)，應用層也可以將設備當做文件來訪問；3. 應用層要想訪問設備，首先要創(chuàng)建設備節(jié)點：命令：mknod <device_name> c/b <major> <minor>注意：(1) mknod /dev/hello c 250 0(2) mknod /dev/hello c 250 1 錯誤；(3) mknod /dev/hello1 c 250 0 正確，即可以有多個設備節(jié)點指向同一個設

10、備。操作集合打開open：1. 統(tǒng)計計數，檢查錯誤；(一個設備可以被多個進程打開)2. 申請資源：(1) 在xxx_open()函數中也可以申請資源；(2) 若在open中申請資源，則對應要在release中釋放資源；(3) 若在加載函數中申請資源，則對應要在卸載函數中釋放資源。3. 識別次設備號。(在一個驅動識別多個設備中有應用)4. 在應用層調用open函數打開設備的實現(xiàn)過程：(1) int fd = open (“/dev/hello”, O_RDWR);(2) sys_open();系統(tǒng)調用(3) vfs_open();虛擬文件系統(tǒng)提供的操作接口注意：在vfs_open()函數執(zhí)行時，

11、會在內存中創(chuàng)建兩個結構體： struct inode dev_t i_rdev; struct cdev *i_cdev;記錄所打開文件的靜態(tài)信息；是將磁盤上的inode節(jié)點信息讀過來的。 struct file struct file *f_op;記錄所打開文件的動態(tài)信息：包括打開方式、當前讀寫位置、用戶信息等。(4) xxx_open(struct inode *, struct file *);注意： 應用層的文件描述符fd與內核中的struct file結構體是一一對應的，即每打開一個設備文件，就會在內存中創(chuàng)建一個struct file類型的結構體變量。每個進程都維護有一個文件描述符表

12、：fd與struct file的對應關系。 與xxx_open()函數相對應的是xxx_release()函數。(1) file結構體：(文件的靜態(tài)屬性)struct fileconst struct file_operations *f_op;/操作集合結構體指針unsigned int f_flags;/文件打開方式：如O_NONBLOCKloff_t f_ops;/當前讀寫位置void *private_data;/文件私有數據，通常用來存放設備結構體的地址;應用： 在多個同類型的設備共用一個驅動程序時：為了在驅動中識別不同的設備，可以將設備結構體的地址保存到file結構體的私有成員中；

13、 利用file結構體的f_flags成員，判斷進程是以阻塞還是非阻塞方式訪問文件。(2) inode結構體：(文件的動態(tài)信息)struct inodeumode_t i_mode;/inode的權限uid_t i_uid;/inode擁有者的idgid_t i_gid;/inode所屬的組iddev_t i_rdev;/設備號struct timespec i_atime;/inode最近一次的存取時間struct timespec i_mtime;/inode最近一次的修改時間struct timespec i_ctime;/inode的產生時間union /若是塊設備，為其對應的block

14、_device結構體指針struct block_device *i_bdev;struct cdev *i_cdev;/若是字符設備，為其對應的cdev結構體指針;讀read：相應地，read()->sys_read()->vfs_read()->xxx_read()->copy_to_user。APP：ssize_t read (int fd, void *buf, size_t count);driver：ssize_t xxx_read (struct file *,char _user *,size_t,loff_t *);讀(寫)操作在內核空間和用戶空間會發(fā)

15、生數據交互。在xxx_read(xxx_write)函數中我們通過調用內核函數：copy_to_user(cpy_from_user)將數據返回給用戶buffer(將用戶數據讀到本地buffer)。1. read()函數：(1) 成功：返回實際讀到的字節(jié)數；(2) 失?。悍祷?1并設置errno(非負)。注意：errno就是通過將xxx_read()函數的失敗返回值取絕對值得到的。2. xxx_read()函數：(1) 成功：返回實際讀到的字節(jié)數；(2) 失?。悍祷刎摰腻e誤碼-EFAULT。3. copy_to_user()函數：(1) 成功：返回0；(2) 失?。悍祷厥Ｓ鄾]有拷貝成功的字節(jié)數

16、。注意：(1) copy_to_user和copy_from_user在執(zhí)行時進程有可能會阻塞(sleep)，所以不能用于中斷處理；(2) copy_from_user()：成功返回0；失敗返回剩余沒有寫成功的字節(jié)數。(3) 二者包含在頭文件<asm/uaccess.h>中。實例：mmap操作：一些設備，諸如：video/audio/framebuffer，在用戶空間和內核空間之間會有很多的數據交互，使用copy_to_user/copy_from_user，要在用戶空間和內核空間進行不斷地切換，開銷太大。我們可以利用mmap操作，作用：將設備內存映射到用戶空間訪問，減小開銷。(類

17、似于進程間通信的共享內存機制)ioctl操作：對設備的訪問控制，如果都用讀寫操作來實現(xiàn)，未免開銷太大；例如，控制LED燈的亮滅，我們完全可以利用ioctl函數來實現(xiàn)。APP：int ioctl (int d, int request, . . .);driver：long (*unlock_ioctl) (struct file *,unsigned int,unsigned long);注意：在2.6.35內核之前，應用層ioctl函數驅動中的ioctl函數指針；在2.6.35內核之后，則對應unlock_ioctl函數指針。ioctl操作是通過命令字來控制底層設備的，命令字的組成如下：8b

18、it:type類型8bit:nr編號2bit:dir數據方向14bit:size數據尺寸用2bit來表示數據傳輸方向，有4種情況：無數據傳輸、用戶->內核、內核->用戶、雙向傳輸。通常，我們利用ioctl操作來控制設備，不涉及數據傳輸。內核通過四個宏用來定義命令字，且命令字要在驅動中和應用程序中約定好：_IO/_IOR/_IOW/_IORW。實例：利用ioctl對串口波特率進行讀寫：(1) 獲取波特率：int baudrate; ioctl(fd, GET_BAUD,(unsigned long)&baudrate); 為了保存波特率，我們需要對參數進行強制類型轉換。(2) 設置波特率：ioctl(fd, SET_BAUD, 115200);注意：(1) 處于安全考慮，在用戶操作設備時，需要判斷進程是否具有管理員的權限；(2) 我們可以調用內核capable()函數來判斷進程的權限：返回值為0，無權限；返回值為1，有權限。驅動程序的調試：1. /printk注釋2. #ifde