深入浅出 Linux字符设备驱动程序解析

JavaGG 发布于 2009/05/07 14:10
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Linux下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合,通过这些函数使得linux的设备操作犹如文件一般。在应用程序看来,硬件设备只是一个设备文件,应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作,如open()、close()、read()、write() 等。
Linux主要将设备分为二类:字符设备和块设备。字符设备是指设备发送和接收数据以字符的形式进行;而块设备则以整个数据缓冲区的形式进行。字符设备的驱动相对比较简单。
下面我们来假设一个非常简单的虚拟字符设备:这个设备中只有一个4个字节的全局变量int global_var,而这个设备的名字叫做"globalvar"。对"globalvar"设备的读写等操作即是对其中全局变量global_var的操作。
驱动程序是内核的一部分,因此我们需要给其添加模块初始化函数,该函数用来完成对所控设备的初始化工作,并调用register_chrdev() 函数注册字符设备:

static int __init globalvar_init(void)
{
  if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " globalvar ", &gobalvar_fops))

 {

  //…注册失败
 }  else  {   //…注册成功
 } }
其中,register_chrdev函数中的参数MAJOR_NUM为主设备号, "globalvar"为设备名,globalvar_fops为包含基本函数入口点的结构体,类型为file_operations。当globalvar模块被加载时,globalvar_init被执行,它将调用内核函数register_chrdev,把驱动程序的基本入口点指针存放在内核的字符设备地址表中,在用户进程对该设备执行系统调用时提供入口地址。
与模块初始化函数对应的就是模块卸载函数,需要调用register_chrdev()的"反函数"
unregister_chrdev():
static void __exit globalvar_exit(void) {  if (unregister_chrdev(MAJOR_NUM, " globalvar "))  {   //…卸载失败
 }  else  {   //…卸载成功
 } }
随着内核不断增加新的功能,file_operations结构体已逐渐变得越来越大,但是大多数的驱动程序只是利用了其中的一部分。对于字符设备来说,要提供的主要入口有:open()、release()、read()、write()、ioctl()、llseek()、poll()等。
open()函数 对设备特殊文件进行open()系统调用时,将调用驱动程序的open() 函数:
int (*open)(struct inode * ,struct file *); 其中参数inode为设备特殊文件的inode (索引结点) 结构的指针,参数file是指向这一设备的文件结构的指针。open()的主要任务是确定硬件处在就绪状态、验证次设备号的合法性(次设备号可以用 MINOR(inode-> i - rdev) 取得)、控制使用设备的进程数、根据执行情况返回状态码(0表示成功,负数表示存在错误)等;
release()函数 当最后一个打开设备的用户进程执行close ()系统调用时,内核将调用驱动程序的release() 函数:
void (*release) (struct inode * ,struct file *) ; release 函数的主要任务是清理未结束的输入/输出操作、释放资源、用户自定义排他标志的复位等。
read()函数 当对设备特殊文件进行read() 系统调用时,将调用驱动程序read()函数:
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); 用来从设备中读取数据。当该函数指针被赋为NULL 值时,将导致read 系统调用出错并返回-EINVAL("Invalid argument,非法参数")。函数返回非负值表示成功读取的字节数(返回值为"signed size"数据类型,通常就是目标平台上的固有整数类型)。
globalvar_read函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2节所介绍的函数:
static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)

{

 …
 copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int));  …
}
write( ) 函数 当设备特殊文件进行write () 系统调用时,将调用驱动程序的write () 函数:
ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); 向设备发送数据。如果没有这个函数,write 系统调用会向调用程序返回一个-EINVAL。如果返回值非负,则表示成功写入的字节数。
globalvar_write函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2节所介绍的函数:
static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off)

{

…
copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)); …
}
ioctl() 函数 该函数是特殊的控制函数,可以通过它向设备传递控制信息或从设备取得状态信息,函数原型为:
int (*ioctl) (struct inode * ,struct file * ,unsigned int ,unsigned long); unsigned int参数为设备驱动程序要执行的命令的代码,由用户自定义,unsigned long参数为相应的命令提供参数,类型可以是整型、指针等。如果设备不提供ioctl 入口点,则对于任何内核未预先定义的请求,ioctl 系统调用将返回错误(-ENOTTY,"No such ioctl fordevice,该设备无此ioctl 命令")。如果该设备方法返回一个非负值,那么该值会被返回给调用程序以表示调用成功。
llseek()函数 该函数用来修改文件的当前读写位置,并将新位置作为(正的)返回值返回,原型为:
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); poll()函数 poll 方法是poll 和select 这两个系统调用的后端实现,用来查询设备是否可读或可写,或是否处于某种特殊状态,原型为:
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); 我们将在"设备的阻塞与非阻塞操作"一节对该函数进行更深入的介绍。
 设备"gobalvar"的驱动程序的这些函数应分别命名为gobalvar_open、 gobalvar_ release、gobalvar_read、gobalvar_write、gobalvar_ioctl,因此设备"gobalvar"的基本入口点结构变量gobalvar_fops 赋值如下:
struct file_operations gobalvar_fops = {

 read: gobalvar_read,

 write: gobalvar_write,

};
  上述代码中对gobalvar_fops的初始化方法并不是标准C所支持的,属于GNU扩展语法。
  完整的globalvar.c文件源代码如下:
#include 

#include 

#include 

#include  

MODULE_LICENSE("GPL");

#define MAJOR_NUM 254 //主设备号
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*); //初始化字符设备驱动的file_operations结构体
struct file_operations globalvar_fops = {  read: globalvar_read, write: globalvar_write, }; static int global_var = 0; //"globalvar"设备的全局变量
static int __init globalvar_init(void) {  int ret;  //注册设备驱动
 ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops);  if (ret)  {   printk("globalvar register failure");  }  else  {   printk("globalvar register success");  }  return ret; } static void __exit globalvar_exit(void) {  int ret;  //注销设备驱动
 ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");  if (ret)  {   printk("globalvar unregister failure");  }  else  {   printk("globalvar unregister success");  } } static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off) {  //将global_var从内核空间复制到用户空间
 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) {  //将用户空间的数据复制到内核空间的global_var  if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))  {   return - EFAULT;  }  return sizeof(int); } module_init(globalvar_init); module_exit(globalvar_exit);   运行:
gcc -D__KERNEL__ -DMODULE -DLINUX -I /usr/local/src/linux2.4/include -c -o globalvar.o globalvar.c   编译代码,运行:
inmod globalvar.o   加载globalvar模块,再运行:
cat /proc/devices   发现其中多出了"254 globalvar"一行,如下图:
  接着我们可以运行:
mknod /dev/globalvar c 254 0   创建设备节点,用户进程通过/dev/globalvar这个路径就可以访问到这个全局变量虚拟设备了。
我们写一个用户态的程序globalvartest.c来验证上述设备:
#include #include #include #include main() {  int fd, num;  //打开"/dev/globalvar"  fd = open("/dev/globalvar", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);  if (fd != -1 )  {   //初次读globalvar   read(fd, &num, sizeof(int));   printf("The globalvar is %d\n", num);   //写globalvar   printf("Please input the num written to globalvar\n");   scanf("%d", &num);   write(fd, &num, sizeof(int));   //再次读globalvar   read(fd, &num, sizeof(int));   printf("The globalvar is %d\n", num);   //关闭"/dev/globalvar"   close(fd);  }  else  {   printf("Device open failure\n");  } }   编译上述文件:
gcc -o globalvartest.o globalvartest.c   运行
./globalvartest.o   可以发现"globalvar"设备可以正确的读写。

(T002)

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