Linux字符設備驅動(dòng)程序的編寫(xiě)框架

一、Linux device driver 的概念

系統調用是操作系統內核和應用程序之間的接口，設備驅動(dòng)程序是操作系統內核和機器硬件之間的接口。設備驅動(dòng)程序為應用程序屏蔽了硬件的細節，這樣在應用程序看來(lái)，硬件設備只是一個(gè)設備文件，應用程序可以象操作普通文件一樣對硬件設備進(jìn)行操作。設備驅動(dòng)程序是內核的一部分，它完成以下的功能:

1、對設備初始化和釋放;

2、把數據從內核傳送到硬件和從硬件讀取數據;

3、讀取應用程序傳送給設備文件的數據和回送應用程序請求的數據;

4、檢測和處理設備出現的錯誤。

在Linux操作系統下有三類(lèi)主要的設備文件類(lèi)型，一是字符設備，二是塊設備，三是網(wǎng)絡(luò )設備。字符設備和塊設備的主要區別是:在對字符設備發(fā)出讀/寫(xiě)請求時(shí)，實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著(zhù)發(fā)生了，塊設備則不然，它利用一塊系統內存作緩沖區，當用戶(hù)進(jìn)程對設備請求能滿(mǎn)足用戶(hù)的要求，就返回請求的數據，如果不能，就調用請求函數來(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設備是主要針對磁盤(pán)等慢速設備設計的，以免耗費過(guò)多的CPU時(shí)間來(lái)等待。

已經(jīng)提到，用戶(hù)進(jìn)程是通過(guò)設備文件來(lái)與實(shí)際的硬件打交道。每個(gè)設備文件都都有其文件屬性(c/b)，表示是字符設備還是塊設備?另外每個(gè)文件都有兩個(gè)設備號，第一個(gè)是主設備號，標識驅動(dòng)程序，第二個(gè)是從設備號，標識使用同一個(gè)設備驅動(dòng)程序的不同的硬件設備，比如有兩個(gè)軟盤(pán)，就可以用從設備號來(lái)區分他們。設備文件的的主設備號必須與設備驅動(dòng)程序在登記時(shí)申請的主設備號一致，否則用戶(hù)進(jìn)程將無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)到驅動(dòng)程序。

最后必須提到的是，在用戶(hù)進(jìn)程調用驅動(dòng)程序時(shí)，系統進(jìn)入核心態(tài)，這時(shí)不再是搶先式調度。也就是說(shuō)，系統必須在你的驅動(dòng)程序的子函數返回后才能進(jìn)行其他的工作。如果你的驅動(dòng)程序陷入死循環(huán)，不幸的是你只有重新啟動(dòng)機器了，然后就是漫長(cháng)的fsck。

二、實(shí)例剖析

我們來(lái)寫(xiě)一個(gè)最簡(jiǎn)單的字符設備驅動(dòng)程序。雖然它什么也不做，但是通過(guò)它可以了解Linux的設備驅動(dòng)程序的工作原理。把下面的C代碼輸入機器，你就會(huì )獲得一個(gè)真正的設備驅動(dòng)程序。

由于用戶(hù)進(jìn)程是通過(guò)設備文件同硬件打交道，對設備文件的操作方式不外乎就是一些系統調用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系統調用和驅動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái)呢?這需要了解一個(gè)非常關(guān)鍵的數據結構：

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(gè)結構的每一個(gè)成員的名字都對應著(zhù)一個(gè)系統調用。用戶(hù)進(jìn)程利用系統調用在對設備文件進(jìn)行諸如read/write操作時(shí)，系統調用通過(guò)設備文件的主設備號找到相應的設備驅動(dòng)程序，然后讀取這個(gè)數據結構相應的函數指針，接著(zhù)把控制權交給該函數。這是linux的設備驅動(dòng)程序工作的基本原理。既然是這樣，則編寫(xiě)設備驅動(dòng)程序的主要工作就是編寫(xiě)子函數，并填充file_operations的各個(gè)域。

下面就開(kāi)始寫(xiě)子程序。

#include基本的類(lèi)型定義

#include文件系統使用相關(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(hù)空間和內核空間

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(gè)函數是為read調用準備的。當調用read時(shí)，read_test()被調用，它把用戶(hù)的緩沖區全部寫(xiě)1。buf 是read調用的一個(gè)參數。它是用戶(hù)進(jìn)程空間的一個(gè)地址。但是在read_test被調用時(shí)，系統進(jìn)入核心態(tài)。所以不能使用buf這個(gè)地址，必須用__put_user()，這是kernel提供的一個(gè)函數，用于向用戶(hù)傳送數據。另外還有很多類(lèi)似功能的函數。請參考，在向用戶(hù)空間拷貝數據之前，必須驗證buf是否可用。這就用到函數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; 模塊計數加以，表示當前內核有個(gè)設備加載內核當中去

return 0;

}

static void release_test(struct inode *inode，struct file *file )

{

MOD_DEC_USE_COUNT;

}

這幾個(gè)函數都是空操作。實(shí)際調用發(fā)生時(shí)什么也不做，他們僅僅為下面的結構提供函數指針。

struct file_operations test_fops = {?

read_test，

write_test，

open_test，

release_test，

};