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Linux字符設(shè)備驅(qū)動程序的編寫框架

作者: 時間:2012-08-27 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

一、 device driver 的概念

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/148526.htm

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,是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口。為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細節(jié),這樣在應(yīng)用程序看來,硬件只是一個設(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。

操作系統(tǒng)下有三類主要的設(shè)備文件類型,一是設(shè)備,二是塊設(shè)備,三是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是:在對設(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,則設(shè)備驅(qū)動程序的主要工作就是子函數(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,

};

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