Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

一、Linux device driver 的概念

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，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)，這樣在應(yīng)用程序看來(lái)，硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以象操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，它完成以下的功能:

1、對(duì)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(qǐng)求的數(shù)據(jù);

4、檢測(cè)和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

在Linux操作系統(tǒng)下有三類主要的設(shè)備文件類型，一是字符設(shè)備，二是塊設(shè)備，三是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是:在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫(xiě)請(qǐng)求時(shí)，實(shí)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(jìn)程對(duì)設(shè)備請(qǐng)求能滿足用戶的要求，就返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，如果不能，就調(diào)用請(qǐng)求函數(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備是主要針對(duì)磁盤(pán)等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的，以免耗費(fèi)過(guò)多的CPU時(shí)間來(lái)等待。

已經(jīng)提到，用戶進(jìn)程是通過(guò)設(shè)備文件來(lái)與實(shí)際的硬件打交道。每個(gè)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(gè)文件都有兩個(gè)設(shè)備號(hào)，第一個(gè)是主設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)驅(qū)動(dòng)程序，第二個(gè)是從設(shè)備號(hào)，標(biāo)識(shí)使用同一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同的硬件設(shè)備，比如有兩個(gè)軟盤(pán)，就可以用從設(shè)備號(hào)來(lái)區(qū)分他們。設(shè)備文件的的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登記時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致，否則用戶進(jìn)程將無(wú)法訪問(wèn)到驅(qū)動(dòng)程序。
最后必須提到的是，在用戶進(jìn)程調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入核心態(tài)，這時(shí)不再是搶先式調(diào)度。也就是說(shuō)，系統(tǒng)必須在你的驅(qū)動(dòng)程序的子函數(shù)返回后才能進(jìn)行其他的工作。如果你的驅(qū)動(dòng)程序陷入死循環(huán)，不幸的是你只有重新啟動(dòng)機(jī)器了，然后就是漫長(zhǎng)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(shè)備驅(qū)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作原理。把下面的C代碼輸入機(jī)器，你就會(huì)獲得一個(gè)真正的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

由于用戶進(jìn)程是通過(guò)設(shè)備文件同硬件打交道，對(duì)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(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(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(gè)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)成員的名字都對(duì)應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用在對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行諸如read/write操作時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用通過(guò)設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，然后讀取這個(gè)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(dòng)程序工作的基本原理。既然是這樣，則編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作就是編寫(xiě)子函數(shù)，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(gè)函數(shù)是為read調(diào)用準(zhǔn)備的。當(dāng)調(diào)用read時(shí)，read_test()被調(diào)用，它把用戶的緩沖區(qū)全部寫(xiě)1。buf 是read調(diào)用的一個(gè)參數(shù)。它是用戶進(jìn)程空間的一個(gè)地址。但是在read_test被調(diào)用時(shí)，系統(tǒng)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(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(qǐng)參考，在向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)之前，必須驗(yàn)證buf是否可用。這就用到函數(shù)verify_area。為了驗(yàn)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(jì)數(shù)加以，表示當(dāng)前內(nèi)核有個(gè)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(gè)函數(shù)都是空操作。實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)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，
};

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主體可以說(shuō)是寫(xiě)好了。現(xiàn)在要把驅(qū)動(dòng)程序嵌入內(nèi)核。驅(qū)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(nèi)核的話，會(huì)增加內(nèi)核的大小，還要改動(dòng)內(nèi)核的源文件，而且不能動(dòng)態(tài)的卸載，不利于調(diào)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(duì)設(shè)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(diào)入內(nèi)存時(shí)，init_module 函數(shù)被調(diào)用。在這里，init_module只做了一件事，就是向系統(tǒng)的字符設(shè)備表登記了一個(gè)字符設(shè)備。register_chrdev需要三個(gè)參數(shù)，參數(shù)一是希望獲得的設(shè)備號(hào)，如果是零的話，系統(tǒng)將選擇一個(gè)沒(méi)有被占用的設(shè)備號(hào)返回。參數(shù)二是設(shè)備文件名，參數(shù)三用來(lái)登記驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H執(zhí)行操作的函數(shù)的指針。

如果登記成功，返回設(shè)備的主設(shè)備號(hào)，不成功，返回一個(gè)負(fù)值。

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

在用rmmod卸載模塊時(shí)，cleanup_module函數(shù)被調(diào)用，它釋放字符設(shè)備test在系統(tǒng)字符設(shè)備表中占有的表項(xiàng)。

一個(gè)極其簡(jiǎn)單的字符設(shè)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(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
如果設(shè)備驅(qū)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(qū)動(dòng)程序已經(jīng)編譯好了，現(xiàn)在把它安裝到系統(tǒng)中去。
$ insmod ?–f ?test.o
如果安裝成功，在/proc/devices文件中就可以看到設(shè)備test，并可以看到它的主設(shè)備號(hào)。要卸載的話，運(yùn)行 :
$ rmmod test
下一步要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)備文件。
mknod /dev/test c major minor
c 是指字符設(shè)備，major是主設(shè)備號(hào)，就是在/proc/devices里看到的。
用shell命令
$ cat /proc/devices
就可以獲得主設(shè)備號(hào)，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。
minor是從設(shè)備號(hào)，設(shè)置成0就可以了。
我們現(xiàn)在可以通過(guò)設(shè)備文件來(lái)訪問(wèn)我們的驅(qū)動(dòng)程序。寫(xiě)一個(gè)小小的測(cè)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(yùn)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(qū)動(dòng)程序要復(fù)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(shè)備驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)的框架和原理，更為復(fù)雜的編寫(xiě)需要去認(rèn)真研究LINUX內(nèi)核的運(yùn)行機(jī)制和具體的設(shè)備運(yùn)行的機(jī)制等等。希望大家好好掌握LINUX設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)的方法。