Linux字符設備驅動(dòng)程序的實(shí)現

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，
};

設備驅動(dòng)程序的主體可以說(shuō)是寫(xiě)好了?，F在要把驅動(dòng)程序嵌入內核。驅動(dòng)程序可以按照兩種方式編譯。一種是編譯進(jìn)kernel，另一種是編譯成模塊(modules)，如果編譯進(jìn)內核的話(huà)，會(huì )增加內核的大小，還要改動(dòng)內核的源文件，而且不能動(dòng)態(tài)的卸載，不利于調試，所以推薦使用模塊方式。

int init_module(void)
{
int result;
result = register_chrdev(0， test， test_fops); 對設備操作的整個(gè)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入內存時(shí)，init_module 函數被調用。在這里，init_module只做了一件事，就是向系統的字符設備表登記了一個(gè)字符設備。register_chrdev需要三個(gè)參數，參數一是希望獲得的設備號，如果是零的話(huà)，系統將選擇一個(gè)沒(méi)有被占用的設備號返回。參數二是設備文件名，參數三用來(lái)登記驅動(dòng)程序實(shí)際執行操作的函數的指針。

如果登記成功，返回設備的主設備號，不成功，返回一個(gè)負值。

void cleanup_module(void)
{
unregister_chrdev(test_major，test);
}

在用rmmod卸載模塊時(shí)，cleanup_module函數被調用，它釋放字符設備test在系統字符設備表中占有的表項。

一個(gè)極其簡(jiǎn)單的字符設備可以說(shuō)寫(xiě)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(dòng)生成.o文件
得到文件test.o就是一個(gè)設備驅動(dòng)程序。
如果設備驅動(dòng)程序有多個(gè)文件，把每個(gè)文件按上面的命令行編譯，然后
ld ?-r ?file1.o ?file2.o ?-o ?modulename。
驅動(dòng)程序已經(jīng)編譯好了，現在把它安裝到系統中去。
$ insmod ?–f ?test.o
如果安裝成功，在/proc/devices文件中就可以看到設備test，并可以看到它的主設備號。要卸載的話(huà)，運行 :
$ rmmod test
下一步要創(chuàng )建設備文件。
mknod /dev/test c major minor
c 是指字符設備，major是主設備號，就是在/proc/devices里看到的。
用shell命令
$ cat /proc/devices
就可以獲得主設備號，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。
minor是從設備號，設置成0就可以了。
我們現在可以通過(guò)設備文件來(lái)訪(fǎng)問(wèn)我們的驅動(dòng)程序。寫(xiě)一個(gè)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(gè)簡(jiǎn)單的演示。真正實(shí)用的驅動(dòng)程序要復雜的多，要處理如中斷，DMA，I/O port等問(wèn)題。這些才是真正的難點(diǎn)。上述給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的字符設備驅動(dòng)編寫(xiě)的框架和原理，更為復雜的編寫(xiě)需要去認真研究LINUX內核的運行機制和具體的設備運行的機制等等。希望大家好好掌握LINUX設備驅動(dòng)程序編寫(xiě)的方法。