深入淺出+Linux字符設(shè)備驅(qū)動程序解析

1、深入淺出 Linux 字符設(shè)備驅(qū)動程序解析Linux 下的設(shè)備驅(qū)動程序被組織為一組完成不同任務(wù)的函數(shù)的集合，通過這些函數(shù)使得linux 的設(shè)備操作猶如文件一般。在應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以象操作普通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作，如open 、close 、read 、write 等。Linux 主要將設(shè)備分為二類：字符設(shè)備和塊設(shè)備。字符設(shè)備是指設(shè)備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以字符的形式進(jìn)行；而塊設(shè)備則以整個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的形式進(jìn)行。字符設(shè)備的驅(qū)動相對比較簡單。 下面我們來假設(shè)一個非常簡單的虛擬字符設(shè)備：這個設(shè)備中只有一個4個字節(jié)的全局變量int global_var，而這個設(shè)備的名字叫

2、做"globalvar" 。對"globalvar" 設(shè)備的讀寫等操作即是對其中全局變量global_var的操作。驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，因此我們需要給其添加模塊初始化函數(shù)，該函數(shù)用來完成對所控設(shè)備的初始化工作，并調(diào)用register_chrdev 函數(shù)注冊字符設(shè)備：static int _init globalvar_init(voidif (register_chrdev(MAJOR_NUM, " globalvar ", &gobalvar_fops/注冊失敗else/注冊成功其中，register_chrdev函數(shù)中

3、的參數(shù)MAJOR_NUM為主設(shè)備號, "globalvar" 為設(shè)備名，globalvar_fops為包含基本函數(shù)入口點的結(jié)構(gòu)體，類型為file_operations。當(dāng)globalvar 模塊被加載時，globalvar_init被執(zhí)行，它將調(diào)用內(nèi)核函數(shù)register_chrdev，把驅(qū)動程序的基本入口點指針存放在內(nèi)核的字符設(shè)備地址表中，在用戶進(jìn)程對該設(shè)備執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用時提供入口地址。與模塊初始化函數(shù)對應(yīng)的就是模塊卸載函數(shù)，需要調(diào)用register_chrdev的" 反函數(shù)" unregister_chrdev：static void _exit gl

4、obalvar_exit(voidif (unregister_chrdev(MAJOR_NUM, " globalvar "/卸載失敗else/卸載成功隨著內(nèi)核不斷增加新的功能，file_operations結(jié)構(gòu)體已逐漸變得越來越大，但是大多數(shù)的驅(qū)動程序只是利用了其中的一部分。對于字符設(shè)備來說，要提供的主要入口有：open 、release 、read 、write 、ioctl 、llseek 、poll 等。open 函數(shù) 對設(shè)備特殊文件進(jìn)行open 系統(tǒng)調(diào)用時，將調(diào)用驅(qū)動程序的open 函數(shù)：int (*open(struct inode * ,struct fil

5、e *; 其中參數(shù)inode 為設(shè)備特殊文件的inode (索引結(jié)點 結(jié)構(gòu)的指針，參數(shù)file 是指向這一設(shè)備的文件結(jié)構(gòu)的指針。open 的主要任務(wù)是確定硬件處在就緒狀態(tài)、驗證次設(shè)備號的合法性(次設(shè)備號可以用 MINOR(inode-> i - rdev 取得 、控制使用設(shè)備的進(jìn)程數(shù)、根據(jù)執(zhí)行情況返回狀態(tài)碼(0表示成功，負(fù)數(shù)表示存在錯誤 等；release 函數(shù) 當(dāng)最后一個打開設(shè)備的用戶進(jìn)程執(zhí)行close 系統(tǒng)調(diào)用時，內(nèi)核將調(diào)用驅(qū)動程序的release 函數(shù)：void (*release (struct inode * ,struct file * ; release 函數(shù)的主要任務(wù)是清

6、理未結(jié)束的輸入/輸出操作、釋放資源、用戶自定義排他標(biāo)志的復(fù)位等。read 函數(shù) 當(dāng)對設(shè)備特殊文件進(jìn)行read 系統(tǒng)調(diào)用時，將調(diào)用驅(qū)動程序read 函數(shù)：ssize_t (*read (struct file *, char *, size_t, loff_t *; 用來從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)該函數(shù)指針被賦為NULL 值時，將導(dǎo)致read 系統(tǒng)調(diào)用出錯并返回-EINV AL （"Invalid argument，非法參數(shù)" ）。函數(shù)返回非負(fù)值表示成功讀取的字節(jié)數(shù)（返回值為"signed size" 數(shù)據(jù)類型，通常就是目標(biāo)平臺上的固有整數(shù)類型）。globalv

7、ar_read函數(shù)中內(nèi)核空間與用戶空間的內(nèi)存交互需要借助第2節(jié)所介紹的函數(shù)： static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *offcopy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int;write( 函數(shù) 當(dāng)設(shè)備特殊文件進(jìn)行write 系統(tǒng)調(diào)用時，將調(diào)用驅(qū)動程序的write 函數(shù)： ssize_t (*write (struct file *, const char *, size_t, loff_t *; 向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。如果沒有這個函數(shù)，wr

8、ite 系統(tǒng)調(diào)用會向調(diào)用程序返回一個-EINV AL 。如果返回值非負(fù)，則表示成功寫入的字節(jié)數(shù)。globalvar_write函數(shù)中內(nèi)核空間與用戶空間的內(nèi)存交互需要借助第2節(jié)所介紹的函數(shù)： static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *offcopy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int;ioctl 函數(shù) 該函數(shù)是特殊的控制函數(shù)，可以通過它向設(shè)備傳遞控制信息或從設(shè)備取得狀態(tài)信息，函數(shù)原型為：int (*ioctl (st

9、ruct inode * ,struct file * ,unsigned int ,unsigned long; unsigned int參數(shù)為設(shè)備驅(qū)動程序要執(zhí)行的命令的代碼，由用戶自定義，unsigned long參數(shù)為相應(yīng)的命令提供參數(shù)，類型可以是整型、指針等。如果設(shè)備不提供ioctl 入口點，則對于任何內(nèi)核未預(yù)先定義的請求，ioctl 系統(tǒng)調(diào)用將返回錯誤（-ENOTTY ，"No such ioctl fordevice，該設(shè)備無此ioctl 命令" ）。如果該設(shè)備方法返回一個非負(fù)值，那么該值會被返回給調(diào)用程序以表示調(diào)用成功。llseek 函數(shù) 該函數(shù)用來修改文件的

10、當(dāng)前讀寫位置，并將新位置作為（正的）返回值返回，原型為：loff_t (*llseek (struct file *, loff_t, int; poll函數(shù) poll 方法是poll 和select 這兩個系統(tǒng)調(diào)用的后端實現(xiàn)，用來查詢設(shè)備是否可讀或可寫，或是否處于某種特殊狀態(tài)，原型為：unsigned int (*poll (struct file *, struct poll_table_struct *; 我們將在" 設(shè)備的阻塞與非阻塞操作" 一節(jié)對該函數(shù)進(jìn)行更深入的介紹。設(shè)備"gobalvar" 的驅(qū)動程序的這些函數(shù)應(yīng)分別命名為gobalvar_

11、open、 gobalvar_ release 、gobalvar_read、gobalvar_write、gobalvar_ioctl，因此設(shè)備"gobalvar" 的基本入口點結(jié)構(gòu)變量gobalvar_fops 賦值如下：struct file_operations gobalvar_fops = read: gobalvar_read,write: gobalvar_write,;上述代碼中對gobalvar_fops的初始化方法并不是標(biāo)準(zhǔn)C 所支持的，屬于GNU 擴(kuò)展語法。完整的globalvar.c 文件源代碼如下：#include#include#include

12、#includeMODULE_LICENSE("GPL"#define MAJOR_NUM 254 /主設(shè)備號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*;/初始化字符設(shè)備驅(qū)動的file_operations結(jié)構(gòu)體struct file_operations globalvar_fops =read: globalvar_read,

13、write: globalvar_write,;static int global_var = 0; /"globalvar"設(shè)備的全局變量static int _init globalvar_init(voidint ret;/注冊設(shè)備驅(qū)動ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops;if (retprintk("globalvar register failure"elseprintk("globalvar register succe

14、ss"return ret;static void _exit globalvar_exit(voidint ret;/注銷設(shè)備驅(qū)動ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar"if (retprintk("globalvar unregister failure"elseprintk("globalvar unregister success"static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t l

15、en, loff_t *off/將 global_var 從內(nèi)核空間復(fù)制到用戶空間 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 /將用戶空間的數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)核空間的 global_var if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int

16、return - EFAULT; return sizeof(int; module_init(globalvar_init; module_exit(globalvar_exit; 運(yùn)行： gcc -D_KERNEL_ -DMODULE -DLINUX -I /usr/local/src/linux2.4/include -c -o globalvar.o globalvar.c 編譯代碼，運(yùn)行： inmod globalvar.o 加載 globalvar 模塊，再運(yùn)行： cat /proc/devices 發(fā)現(xiàn)其中多出了"254 globalvar"一行，如下圖： 接

17、著我們可以運(yùn)行： mknod /dev/globalvar c 254 0 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點， 用戶進(jìn)程通過/dev/globalvar 這個路徑就可以訪問到這個全局變量虛擬設(shè) 備了。 我們寫一個用戶態(tài)的程序 globalvartest.c 來驗證上述設(shè)備： #include #include #include #include main int fd, num; /打開"/dev/globalvar" fd = open("/dev/globalvar", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR; if (fd != -1 /初次讀 globalvar read(fd, &num, sizeof(int; printf("The globalvar is %dn", num; /寫 globalvar printf("Please input the num written to globalvarn" scanf("%d", # write(fd, &num, sizeof(int;