RK3568驅動(dòng)指南｜第二篇 字符設備基礎-第14章 內核空間與用戶(hù)空間數據交互實(shí)驗

第14章 內核空間與用戶(hù)空間數據交互實(shí)驗

在“第12章 字符設備驅動(dòng)框架實(shí)驗”中，已經(jīng)對file_operations結構體的進(jìn)行了填充，該結構體的每一個(gè)成員都對應著(zhù)一個(gè)系統調用，例如read、write等，在對應的實(shí)驗中，只是對調用函數進(jìn)行了標志打印，并沒(méi)有真正實(shí)現設備的讀寫(xiě)功能，而在本章節將對內核空間與用戶(hù)空間的數據交換功能進(jìn)行實(shí)現。

14.1 內核空間與用戶(hù)空間

Linux系統將可訪(fǎng)問(wèn)的內存空間分為了兩個(gè)部分，一部分是內核空間，一部分是用戶(hù)空間。操作系統和驅動(dòng)程序運行在內核空間（內核態(tài)），應用程序運行在用戶(hù)空間（用戶(hù)態(tài)）。

那么為什么要區分用戶(hù)空間和內核空間呢？

（1）內核空間中的代碼控制了硬件資源，用戶(hù)空間中的代碼只能通過(guò)內核暴露的系統調用接口來(lái)使用系統中的硬件資源，這樣的設計可以保證操作系統自身的安全性和穩定性。

（2）從另一方面來(lái)說(shuō)，內核空間的代碼更偏向于系統管理，而用戶(hù)空間中的代碼更偏重業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現，倆者的分工不同。

硬件資源管理都是在內核空間完成的，應用程序無(wú)法直接對硬件進(jìn)行操作，只能通過(guò)調用相應的內核接口來(lái)完成相應的操作。比如應用程序要對磁盤(pán)上的一個(gè)文件進(jìn)行讀取，應用程序可以向內核發(fā)起一個(gè)“系統調用”申請——我要讀取磁盤(pán)上的文件。這個(gè)過(guò)程其實(shí)是通過(guò)一個(gè)特殊的指令讓進(jìn)程從用戶(hù)態(tài)進(jìn)入到了內核態(tài)。在內核空間中，CPU可以執行任何命令，包括從磁盤(pán)上讀取數據，具體過(guò)程是先把數據讀取到內核空間中，然后再把數據拷貝到用戶(hù)空間并從內核態(tài)切換到用戶(hù)態(tài)。此時(shí)應用程序已經(jīng)從系統調用中返回并拿到了想要的數據，可以繼續往下執行了。

進(jìn)程只有從用戶(hù)空間切換到內核空間才可以使用系統的硬件資源，切換的方式有三種：系統調用，軟中斷，硬中斷，如下圖（圖 14-1）所示：

14.2 用戶(hù)空間和內核空間數據交換

內核空間和用戶(hù)空間的內存是不能互相訪(fǎng)問(wèn)的。但是很多應用程序都需要和內核進(jìn)行數據的交換，例如應用程序使用read函數從驅動(dòng)中讀取數據，使用write函數向驅動(dòng)中寫(xiě)數據，上述功能就需要使用copy_from_user和copy_to_user倆個(gè)函數來(lái)完成。copy_from_user函數是將用戶(hù)空間的數據拷貝到內核空間。copy_to_user函數是將內核空間的數據拷貝到用戶(hù)空間。

這倆個(gè)函數定義在了kernel/include/linux/uaccess.h文件下，如下所示：

copy_to_user

函數原型：

unsigned long copy_to_user_inatomic(void __user *to, const void

*from, unsigned long n);

函數作用：

把內核空間的數據復制到用戶(hù)空間。

參數含義：

*to是用戶(hù)空間的指針

*from是內核空間的指針

n是從內核空間向用戶(hù)空間拷貝的字節數

copy_from_user

函數原型：

unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from,

unsigned long n)

函數作用：

把用戶(hù)空間的數據復制到內核空間。

參數含義：

*to是內核空間的指針

*from是用戶(hù)空間的指針

n是從用戶(hù)空間向內核空間拷貝的字節數

14.3 實(shí)驗程序編寫(xiě)

14.3.1 驅動(dòng)程序編寫(xiě)

本驅動(dòng)程序對應的網(wǎng)盤(pán)路徑為：iTOP-RK3568開(kāi)發(fā)板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568開(kāi)發(fā)板】指南教程\02_Linux驅動(dòng)配套資料\04_Linux驅動(dòng)例程\09\module。

在該實(shí)驗中將實(shí)現內核空間和用戶(hù)空間進(jìn)行數據交換的功能。以12章編寫(xiě)的字符設備驅動(dòng)框架實(shí)驗為基礎編寫(xiě)驅動(dòng)程序，程序使用copy_to_user函數和copy_from_user函數來(lái)實(shí)現內核空間和用戶(hù)空間互傳數據的功能，編寫(xiě)完成的file.c代碼如下所示：

以上代碼在cdev_test_read函數中使用copy_to_user函數將內核數據拷貝到用戶(hù)空間，在cdev_test_write函數中使用copy_from_user函數將用戶(hù)空間數據拷貝到內核空間。

14.3.2 編寫(xiě)測試 APP

本應用程序對應的網(wǎng)盤(pán)路徑為：iTOP-RK3568開(kāi)發(fā)板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568開(kāi)發(fā)板】指南教程\02_Linux驅動(dòng)配套資料\04_Linux驅動(dòng)例程\09\app。

編寫(xiě)測試APP其實(shí)是在編寫(xiě)Linux應用，編譯完成的應用程序app.c代碼如下所示：

14.4 運行測試

14.4.1 編譯驅動(dòng)程序

在上一小節中的file.c代碼同一目錄下創(chuàng )建 Makefile 文件，Makefile 文件內容如下 所示：

對于Makefile的內容注釋已在上圖添加，保存退出之后，來(lái)到存放file.c和Makefile文件目錄下，如下圖（圖14-2）所示：

然后使用命令“make”進(jìn)行驅動(dòng)的編譯，編譯完成如下圖（圖14-3）所示：

編譯完生成 file.ko目標文件，如下圖（圖 14-4）所示：

至此我們的驅動(dòng)模塊就編譯成功了，下面進(jìn)行應用程序編譯.

下面進(jìn)行驅動(dòng)程序的測試。

輸入以下命令運行應用程序，如下圖（圖 14-7）所示

由上圖可知，打印“This is cdev_test_open”信息說(shuō)明成功打開(kāi)了字符設備驅動(dòng)。

打印“ This is cdev_test_read”和“buf1 is This is cdev_test_read!”說(shuō)明應用程序成功讀取到內核的數據。

打印“This is cdev_test_write”和“kbuf is nihao”說(shuō)明應用程序向內核寫(xiě)數據成功。

最后打印“This is cdev_test_release”說(shuō)明卸載字符設備。

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