Linux设备驱动程序学习（1）-字符设备驱动程序

今天进入《Linux设备驱动程序（第3版）》 第三章字符设备驱动程序的学习。 这一章主要通过介绍字符设备scull（Simple Character Utility for Loading Localities，区域装载的简单字符工具）的 驱动程序编写，来学习Linux设备驱动的基本知识。scull可以为真正的设备驱动程序提供样板。 一、主设备号和此设备号 主设备号表示设备对应的驱动程序；次设备号由内核使用，用于正确确定设备文件所指的设备。 内核用dev_t类型（<linux/types.h>）来保存设备编号，dev_t是一个32位的数，12位表示主设备号，20为表示次设备号。 在实际使用中，是通过<linux/kdev_t.h>中定义的宏来转换格式。 (dev_t)-->主设备号、次设备号 MAJOR(dev_t dev) MINOR(dev_t dev) 主设备号、次设备号-->(dev_t) MKDEV(int major,int minor) 建立一个字符设备之前，驱动程序首先要做的事情就是获得设备编号。其这主要函数在<linux/fs.h>中声明： int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);   //指定设备编号 int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);   //动态生成设备编号 void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);      //释放设备编号 分配之设备号的最佳方式是：默认采用动态分配，同时保留在加载甚至是编译时指定主设备号的余地。 以下是在scull.c中用来获取主设备好的代码： if (scull_major) {     dev = MKDEV(scull_major, scull_minor);     result = register_chrdev_region(dev, scull_nr_devs, "scull"); } else {     result = alloc_chrdev_region(&dev, scull_minor, scull_nr_devs,"scull");     scull_major = MAJOR(dev); } if (result < 0) {     printk(KERN_WARNING "scull: can't get major %d\n", scull_major);     return result; } 在这部分中，比较重要的是在用函数获取设备编号后，其中的参数name是和该编号范围关联的设备名称，它将出现在/proc/devices和sysfs中。 看到这里，就可以理解为什么mdev和udev可以动态、自动地生成当前系统需要的设备文件。udev就是通过读取sysfs下的信息来识别硬件设备的. (请看《理解和认识udev》 URL：http://blog.chinaunix.net/u/6541/showart_396425.html) 二、一些重要的数据结构 大部分基本的驱动程序操作涉及及到三个重要的内核数据结构，分别是file_operations、file和inode，它们的定义都在<linux/fs.h>。 三、字符设备的注册 内核内部使用struct cdev结构来表示字符设备。在内核调用设备的操作之前，必须分配并注册一个或多个struct cdev。代码应包含<linux/cdev.h>，它定义了struct cdev以及与其相关的一些辅助函数。 注册一个独立的cdev设备的基本过程如下： 1、为struct cdev 分配空间(如果已经将struct cdev 嵌入到自己的设备的特定结构体中，并分配了空间，这步略过！) struct cdev *my_cdev = cdev_alloc(); 2、初始化struct cdev void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops) 3、初始化cdev.owner cdev.owner = THIS_MODULE; 4、cdev设置完成，通知内核struct cdev的信息（在执行这步之前必须确定你对struct cdev的以上设置已经完成！） int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count) 从系统中移除一个字符设备：void cdev_del(struct cdev *p) 以下是scull中的初始化代码（之前已经为struct scull_dev 分配了空间）： /* * Set up the char_dev structure for this device. */ static void scull_setup_cdev(struct scull_dev *dev, int index) {     int err, devno = MKDEV(scull_major, scull_minor + index);          cdev_init(&dev->cdev, &scull_fops);     dev->cdev.owner = THIS_MODULE;     dev->cdev.ops = &scull_fops;  //这句可以省略，在cdev_init中已经做过     err = cdev_add (&dev->cdev, devno, 1);     /* Fail gracefully if need be 这步值得注意*/     if (err)         printk(KERN_NOTICE "Error %d adding scull%d", err, index); } 四、scull模型的内存使用 以下是scull模型的结构体： /* * Representation of scull quantum sets. */ struct scull_qset {     void **data;     struct scull_qset *next; }; struct scull_dev {     struct scull_qset *data; /* Pointer to first quantum set */     int quantum; /* the current quantum size */     int qset; /* the current array size */     unsigned long size; /* amount of data stored here */     unsigned int access_key; /* used by sculluid and scullpriv */     struct semaphore sem; /* mutual exclusion semaphore */     struct cdev cdev;     /* Char device structure        */ }; scull驱动程序引入了两个Linux内核中用于内存管理的核心函数，它们的定义都在<linux/slab.h>: void *kmalloc(size_t size, int flags); void kfree(void *ptr); 以下是scull模块中的一个释放整个数据区的函数（类似清零），将在scull以写方式打开和scull_cleanup_module中被调用： int scull_trim(struct scull_dev *dev) {   struct scull_qset *next, *dptr;      int qset = dev->qset; /* 量子集中量子的个数*/      int i;      for (dptr = dev->data; dptr; dptr = next) { /* 循环scull_set个数次，直到dptr为NULL为止。*/          if (dptr->data) {                for (i = 0; i < qset; i++)/* 循环一个量子集中量子的个数次*/                     kfree(dptr->data[i]);/* 释放其中一个量子的空间*/                kfree(dptr->data);/* 释放当前的scull_set的量子集的空间*/                dptr->data = NULL;/* 释放一个scull_set中的void **data指针*/           }       next = dptr->next; /* 准备下个scull_set的指针*/       kfree(dptr);/* 释放当前的scull_set*/       }   dev->size = 0; /* 当前的scull_device所存的数据为0字节*/   dev->quantum = scull_quantum;/* 初始化一个量子的大小*/   dev->qset = scull_qset;/* 初始化一个量子集中量子的个数*/   dev->data = NULL;/* 释放当前的scull_device的struct scull_qset *data指针*/   return 0; } 以下是scull模块中的一个沿链表前行得到正确scull_set指针的函数，将在read和write方法中被调用： /*Follow the list*/ struct scull_qset *scull_follow(struct scull_dev *dev, int n) {     struct scull_qset *qs = dev->data;         /* Allocate first qset explicitly if need be */     if (! qs) {         qs = dev->data = kmalloc(sizeof(struct scull_qset), GFP_KERNEL);         if (qs == NULL)             return NULL; /* Never mind */         memset(qs, 0, sizeof(struct scull_qset));     }     /* Then follow the list */     while (n--) {         if (!qs->next) {             qs->next = kmalloc(sizeof(struct scull_qset), GFP_KERNEL);             if (qs->next == NULL)                 return NULL; /* Never mind */             memset(qs->next, 0, sizeof(struct scull_qset));         }         qs = qs->next;         continue;     }     return qs; } 其实这个函数的实质是：如果已经存在这个scull_set，就返回这个scull_set的指针。如果不存在这个scull_set，一边沿链表为scull_set分配空间一边沿链表前行，直到所需要的scull_set被分配到空间并初始化为止，就返回这个scull_set的指针。 五 、open和release open方法提供给驱动程序以初始化的能力，为以后的操作作准备。应完成的工作如下： (1)检查设备特定的错误（如设备未就绪或硬件问题）； (2)如果设备是首次打开，则对其进行初始化； (3)如有必要，更新f_op指针； (4)分配并填写置于filp->private_data里的数据结构。 而根据scull的实际情况，他的open函数只要完成第四步（将初始化过的struct scull_dev dev的指针传递到filp->private_data里，以备后用）就好了，所以open函数很简单。但是其中用到了定义在<linux/kernel.h>中的container_of宏，源码如下： #define container_of(ptr, type, member) ({            \     const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);    \     (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );}) 其实从源码可以看出，其作用就是：通过指针ptr，获得包含ptr所指向数据（是member结构体）的type结构体的指针。即是用指针得到另外一个指针。 release方法提供释放内存，关闭设备的功能。应完成的工作如下： （1）释放由open分配的、保存在file->private_data中的所有内容； （2）在最后一次关闭操作时关闭设备。 由于前面定义了scull是一个全局且持久的内存区，所以他的release什么都不做。 六、read和write read和write方法的主要作用就是实现内核与用户空间之间的数据拷贝。因为Linux的内核空间和用户空间隔离的，所以要实现数据拷贝就必须使用在<asm/uaccess.h>中定义的： unsigned long copy_to_user(void __user *to,                            const void *from,                            unsigned long count); unsigned long copy_from_user(void *to,                              const void __user *from,                              unsigned long count); 而值得一提的是以上两个函数和 #define __copy_from_user(to,from,n)    (memcpy(to, (void __force *)from, n), 0) #define __copy_to_user(to,from,n)    (memcpy((void __force *)to, from, n), 0) 之间的关系：通过源码可知，前者调用后者，但前者在调用前对用户空间指针进行了检查。 至于read和write 的具体函数比较简单，就在实验中验证好了。 七、模块实验 这次模块实验的使用是友善之臂SBC2440V4，使用Linux2.6.22.2内核。 模块程序链接：scull模块源程序 模块测试程序链接：模块测试程序 测试结果： 量子大小为6： [Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/ [Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko scull_quantum=6 [Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat /proc/devices Character devices:   1 mem   2 pty   3 ttyp   4 /dev/vc/0   4 tty   4 ttyS   5 /dev/tty   5 /dev/console   5 /dev/ptmx   7 vcs 10 misc 13 input 14 sound 81 video4linux 89 i2c 90 mtd 116 alsa 128 ptm 136 pts 180 usb 189 usb_device 204 s3c2410_serial 252 scull 253 usb_endpoint 254 rtc Block devices:   1 ramdisk 256 rfd   7 loop 31 mtdblock 93 nftl 96 inftl 179 mmc [Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull0 c  252 0 [Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull1 c  252 1 [Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull2 c  252 2 [Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull3 c  252 3 启动测试程序 [Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test write error! code=6 write error! code=6 write error! code=6 write ok! code=2 read error! code=6 read error! code=6 read error! code=6 read ok! code=2 [0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4 [5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9 [10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14 [15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19 改变量子大小为默认值4000： [Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/ [Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull [Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko 启动测试程序 [Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test write ok! code=20 read ok! code=20 [0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4 [5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9 [10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14 [15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19 [Tekkaman2440@SBC2440V4]#    改变量子大小为6，量子集大小为2： [Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/ [Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull [Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko scull_quantum=6 scull_qset=2 启动测试程序 [Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test write error! code=6 write error! code=6 write error! code=6 write ok! code=2 read error! code=6 read error! code=6 read error! code=6 read ok! code=2 [0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4 [5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9 [10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14 [15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19                实验不仅测试了模块的读写能力，还测试了量子读写是否有效。