内存模拟设备进行驱动编程
设备驱动
在Linux的设备驱动编程中，都需要遵从一种内核编程的模式，这也可以理解为一种设计模式（Design pattern）【1】，这种模式让硬件programmer脱离硬件平台，开始和操作系统打交道，就像业务和逻辑分离一样，提高了代码的可复用性。
但是这样依然没有说清楚到底Linux用户是如何使用驱动程序的，Linux系统上有三类设备：
- 字符驱动设备（character device）
- 块设备（block device）
- 网络设备（network device）
它们（网络设备除外）的访问都是用户通过设备文件（或者叫设备节点）来进行访问而使用的。
内存如何模拟设备
下面来分析一个简单的字符设备驱动，实现在一段内存中模拟字符设备的读和写操作
首先定义一个结构体来描述一段内存的具体信息。因为外设的访问是操作系统通过物理地址进行访问的，因而我们可以把这段内存看作是一个字符设备。
<!-- lang: cpp -->
struct mem_dev
{
char *data;
unsigned long size;
};
data是指向内存起始地址的指针，size是内存的大小。因此把这样一个封装可以看作一个设备。
字符设备的统一描述
在Linux2.6的内核中，字符设备使用结构体struct cdev进行描述。它定义在/include/linux/cdev.h中：
在这个结构体中会发现另外一个嵌套的结构体struct file_operations,它是字符设备把驱动的操作和设备联系在一起的纽带。是一个函数指针的集合，每个被打开的文件都对应于一系列的操作。它定义在/include/linux/fs.h中：
设备的注册
字符设备经过描述之后，相当于规定了它的资源，逻辑和实现。下一步就是在内核中进行注册，相当于在体制中给一个固定的编制。设备的注册分为三部分：
- 分配cdev
- 初始化cdev
- 添加cdev
设备可以通过静态和动态分配两种方式进行分配。下面是实现代码：
<!-- lang: cpp -->
dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);//MKDEV是将主设备号和次设备号转换为dev_t类型数据
/* 静态申请设备号*/
if (mem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");//devno为主设备号，共申请两个连续的设备
else /* 动态分配设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");//&devno作为一个输出参数
mem_major = MAJOR(devno);//获取动态分配到的主设备号。
}
mem_major是在宏定义中自己选的一个设备号，定为254，所以下一步else不会执行。但当自己选定的设备号已经被使用时就会产生冲突。这时就可以使用动态分配的方式获得设备号。
设备号分配之后就是对cdev进行初始化：
<!-- lang: cpp -->
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;//驱动引用计数，作用是这个驱动正在使用的时候，你再次用inmod命令时，出现警告提示
cdev.ops = &mem_fops;
cdev_init(&cdev, &mem_fops)是初始化cdev结构，将结构体cdev和mem_fops绑定起来。cdev.ops = &mem_fops是对cdev结构体成员进行赋值。其中mem_fops是用file_operations定义描述的文件操作结构体:
<!-- lang: cpp -->
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
};
最后是注册字符设备：
<!-- lang: cpp -->
cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);//MEMDEV_NR_DEVS=2，分配2个设备
这样三步就完成了字符设备的注册。
再看一下mem_read和mem_write的实现过程：
<!-- lang: cpp -->
/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)//buf缓存区
{
unsigned long p = *ppos;//p为当前读写位置
unsigned int count = size;//一次读取的大小
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*判断读位置是否有效*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)//是否超出读取获围
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p) //【2】
count = MEMDEV_SIZE - p;//count大于可读取的范围，则缩小读取范围。
/*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))//返回buf,读取位置，读取数量
{
ret = - EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;//将文件当前位置向后移
ret = count;//返回实际读取字节数
printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}
return ret;//返回实际读取字节数，判断读取是否成功
}
/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)//write和read类似，直接参考read
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
ret = - EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}
return ret;
}
下面是字符设备的测试程序：
<!-- lang: cpp -->
#include <stdio.h>
int main()
{
FILE *fp0 = NULL;
char Buf[4096];
/*初始化内核空间的Buf*/
strcpy(Buf,"Mem is char dev!");
printf("BUF: %s\n",Buf);
/*打开设备文件*/
fp0 = fopen("/dev/memdev0","r+");
if (fp0 == NULL)
{
printf("Open Memdev0 Error!\n");
return -1;
}
/*写入设备：用户空间——>字符设备（即那一段内存中）*/
fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);//这个fwrite和.read = mem_read的关系？
/*重新定位文件位置（思考没有该指令，会有何后果) 【3】*/
fseek(fp0,0,SEEK_SET);//调用mem_llseek（）定位
/*清除Buf*/
strcpy(Buf,"Buf is NULL!");
printf("BUF: %s\n",Buf);
/*读出设备字符设备（即那一段内存中）——>用户空间*/
fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);
/*检测结果*/
printf("BUF: %s\n",Buf);
return 0;
}
Reference
[1].http://en.wikipedia.org/wiki/Design_pattern
[2].C Traps and Pitfalls。 Page51 边界计算与不对称边界
[3].C Traps and Pitfalls。 Page85-86 更新顺序文件