Linux字符設(shè)備驅(qū)動程序的實現(xiàn)

?一、Linux device driver 的概念
　　系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口，設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動程序為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(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)備進行操作。設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，它完成以下的功能：
　　1、對設(shè)備初始化和釋放;
　　2、把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù);
　　3、讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù);
　　4、檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤。
　　在Linux操作系統(tǒng)下有三類主要的設(shè)備文件類型，一是字符設(shè)備，二是塊設(shè)備，三是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是：在對字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請求時，實際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了，塊設(shè)備則不然，它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū)，當(dāng)用戶進程對設(shè)備請求能滿足用戶的要求，就返回請求的數(shù)據(jù)，如果不能，就調(diào)用請求函數(shù)來進行實際的I/O操作。塊設(shè)備是主要針對磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計的，以免耗費過多的CPU時間來等待。
　　已經(jīng)提到，用戶進程是通過設(shè)備文件來與實際的硬件打交道。每個設(shè)備文件都都有其文件屬性（c/b），表示是字符設(shè)備還是塊設(shè)備？另外每個文件都有兩個設(shè)備號，第一個是主設(shè)備號，標(biāo)識驅(qū)動程序，第二個是從設(shè)備號，標(biāo)識使用同一個設(shè)備驅(qū)動程序的不同的硬件設(shè)備，比如有兩個軟盤，就可以用從設(shè)備號來區(qū)分他們。設(shè)備文件的的主設(shè)備號必須與設(shè)備驅(qū)動程序在登記時申請的主設(shè)備號一致，否則用戶進程將無法訪問到驅(qū)動程序。
　　最后必須提到的是，在用戶進程調(diào)用驅(qū)動程序時，系統(tǒng)進入核心態(tài)，這時不再是搶先式調(diào)度。也就是說，系統(tǒng)必須在你的驅(qū)動程序的子函數(shù)返回后才能進行其他的工作。如果你的驅(qū)動程序陷入死循環(huán)，不幸的是你只有重新啟動機器了，然后就是漫長的fsck。
　　二、實例剖析
　　我們來寫一個最簡單的字符設(shè)備驅(qū)動程序。雖然它什么也不做，但是通過它可以了解Linux的設(shè)備驅(qū)動程序的工作原理。把下面的C代碼輸入機器，你就會獲得一個真正的設(shè)備驅(qū)動程序。
　　由于用戶進程是通過設(shè)備文件同硬件打交道，對設(shè)備文件的操作方式不外乎就是一些系統(tǒng)調(diào)用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來呢？這需要了解一個非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
　　STruct file_operatiONs {
　　int （*seek） （struct inode * ，struct file *， off_t ，int）;
　　int （*read） （struct inode * ，struct file *， char ，int）;
　　int （*write） （struct inode * ，struct file *， off_t ，int）;
　　int （*readdir） （struct inode * ，struct file *， struct dirent * ，int）;
　　int （*select） （struct inode * ，struct file *， int ，select_table *）;
　　int （*ioctl） （struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long）;
　　int （*mmap） （struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *）;
　　int （*open） （struct inode * ，struct file *）;
　　int （*release） （struct inode * ，struct file *）;
　　int （*fsync） （struct inode * ，struct file *）;
　　int （*fasync） （struct inode * ，struct file *，int）;
　　int （*check_media_change） （struct inode * ，struct file *）;
　　int （*revalidate） （dev_t dev）;
　　}
　　這個結(jié)構(gòu)的每一個成員的名字都對應(yīng)著一個系統(tǒng)調(diào)用。用戶進程利用系統(tǒng)調(diào)用在對設(shè)備文件進行諸如read/write操作時，系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，然后讀取這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的函數(shù)指針，接著把控制權(quán)交給該函數(shù)。這是linux的設(shè)備驅(qū)動程序工作的基本原理。既然是這樣，則編寫設(shè)備驅(qū)動程序的主要工作就是編寫子函數(shù)，并填充file_operations的各個域。
　　下面就開始寫子程序。
　　#include 基本的類型定義
　　#include 文件系統(tǒng)使用相關(guān)的頭文件
　　#include
　　#include
　　#include
　　unsigned int test_major = 0;
　　static int read_test（struct inode *inode，struct file *file，char *buf，int count）
　　{
　　int left; 用戶空間和內(nèi)核空間
　　if （verify_area（VERIFY_WRITE，buf，count） == -EFAULT ）
　　return -EFAULT;
　　for（left = count ; left 》 0 ; left--）
　　{
　　__put_user（1，buf，1）;
　　buf++;
　　}
　　return count;
　　}
　　這個函數(shù)是為read調(diào)用準(zhǔn)備的。當(dāng)調(diào)用read時，read_test（）被調(diào)用，它把用戶的緩沖區(qū)全部寫1。buf 是read調(diào)用的一個參數(shù)。它是用戶進程空間的一個地址。但是在read_test被調(diào)用時，系統(tǒng)進入核心態(tài)。所以不能使用buf這個地址，必須用__put_user（），這是kernel提供的一個函數(shù)，用于向用戶傳送數(shù)據(jù)。另外還有很多類似功能的函數(shù)。請參考，在向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)之前，必須驗證buf是否可用。這就用到函數(shù)verify_area。為了驗證BUF是否可以用。
　　static int write_test（struct inode *inode，struct file *file，const char *buf，int count）
　　{
　　return count;
　　}
　　static int open_test（struct inode *inode，struct file *file ）
　　{
　　MOD_INC_USE_COUNT; 模塊計數(shù)加以，表示當(dāng)前內(nèi)核有個設(shè)備加載內(nèi)核當(dāng)中去
　　return 0;
　　}
　　static void release_test（struct inode *inode，struct file *file ）
　　{
　　MOD_DEC_USE_COUNT;
　　}
　　這幾個函數(shù)都是空操作。實際調(diào)用發(fā)生時什么也不做，他們僅僅為下面的結(jié)構(gòu)提供函數(shù)指針。
　　struct file_operations test_fops = {？
　　read_test，
　　write_test，
　　open_test，
　　release_test，
　　};
　　設(shè)備驅(qū)動程序的主體可以說是寫好了。現(xiàn)在要把驅(qū)動程序嵌入內(nèi)核。驅(qū)動程序可以按照兩種方式編譯。一種是編譯進kernel，另一種是編譯成模塊（modules），如果編譯進內(nèi)核的話，會增加內(nèi)核的大小，還要改動內(nèi)核的源文件，而且不能動態(tài)的卸載，不利于調(diào)試，所以推薦使用模塊方式。
　　int init_module（void）
　　{
　　int result;
　　result = register_chrdev（0， “test”， &test_fops）; 對設(shè)備操作的整個接口
　　if （result 《 0） {
　　printk（KERN_INFO “test： can‘t get major numbern”）;
　　return result;
　　}
　　if （test_major == 0） test_major = result; /* dynamic */
　　return 0;
　　}
　　在用insmod命令將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)存時，init_module 函數(shù)被調(diào)用。在這里，init_module只做了一件事，就是向系統(tǒng)的字符設(shè)備表登記了一個字符設(shè)備。register_chrdev需要三個參數(shù)，參數(shù)一是希望獲得的設(shè)備號，如果是零的話，系統(tǒng)將選擇一個沒有被占用的設(shè)備號返回。參數(shù)二是設(shè)備文件名，參數(shù)三用來登記驅(qū)動程序?qū)嶋H執(zhí)行操作的函數(shù)的指針。
　　如果登記成功，返回設(shè)備的主設(shè)備號，不成功，返回一個負(fù)值。
　　void cleanup_module（void）
　　{
　　unregister_chrdev（test_major，“test”）;
　　}
　　在用rmmod卸載模塊時，cleanup_module函數(shù)被調(diào)用，它釋放字符設(shè)備test在系統(tǒng)字符設(shè)備表中占有的表項。
　　一個極其簡單的字符設(shè)備可以說寫好了，文件名就叫test.c吧。
　　下面編譯 ：
　　$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c –c表示輸出制定名，自動生成.o文件
　　得到文件test.o就是一個設(shè)備驅(qū)動程序。
　　如果設(shè)備驅(qū)動程序有多個文件，把每個文件按上面的命令行編譯，然后
　　ld ？-r ？file1.o ？file2.o ？-o ？modulename。
　　驅(qū)動程序已經(jīng)編譯好了，現(xiàn)在把它安裝到系統(tǒng)中去。
　　$ insmod ？–f ？test.o
　　如果安裝成功，在/proc/devices文件中就可以看到設(shè)備test，并可以看到它的主設(shè)備號。要卸載的話，運行 ：
　　$ rmmod test
　　下一步要創(chuàng)建設(shè)備文件。
　　mknod /dev/test c major minor
　　c 是指字符設(shè)備，major是主設(shè)備號，就是在/proc/devices里看到的。
　　用shell命令
　　$ cat /proc/devices
　　就可以獲得主設(shè)備號，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。
　　minor是從設(shè)備號，設(shè)置成0就可以了。
　　我們現(xiàn)在可以通過設(shè)備文件來訪問我們的驅(qū)動程序。寫一個小小的測試程序。
　　#include
　　#include
　　#include
　　#include
　　main（）
　　{
　　int testdev;
　　int i;
　　char buf［10］;
　　testdev = open（“/dev/test”，O_RDWR）;
　　if （ testdev == -1 ）
　　{
　　printf（“Cann’t open file n”）;
　　exit（0）;
　　}
　　read（testdev，buf，10）;
　　for （i = 0; i 《 10;i++）
　　printf（“%dn”，buf［i］）;
　　close（testdev）;
　　}
　　編譯運行，看看是不是打印出全1
　　以上只是一個簡單的演示。真正實用的驅(qū)動程序要復(fù)雜的多，要處理如中斷，DMA，I/O port等問題。這些才是真正的難點。上述給出了一個簡單的字符設(shè)備驅(qū)動編寫的框架和原理，更為復(fù)雜的編寫需要去認(rèn)真研究LINUX內(nèi)核的運行機制和具體的設(shè)備運行的機制等等。希望大家好好掌握LINUX設(shè)備驅(qū)動程序編寫的方法。
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