深入浅出Linux设备驱动之字符设备驱动程序

来自: http://hi.baidu.com/lijunzzu/blog/item/0050d522a1df95e2d7cae282.html

本人加入适当修改，以在本机上运行。。。。

 

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：

1. static  int  __init globalvar_init(void )
2. {
3.   if  (register_chrdev(MAJOR_NUM, " globalvar " , &globalvar_fops))
4. 　{
6. 　　//…注册失败
8. 　}
9. 　else
10. 　{
12. 　　//…注册成功
14. 　}
15. } 

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()：

1. static  void  __exit globalvar_exit(void )
2. {
3. 　if  (unregister_chrdev(MAJOR_NUM, " globalvar " ))
4. 　{
6. 　　//…卸载失败
8. 　}
9. 　else
10. 　{
12. 　　//…卸载成功
14. 　}
15. } 

[注意，我的内核2.6函数 unregister_chrdev已经被定义为void类型了 ]

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"globalvar"的驱动程序的这些函数应分别命名为globalvar_open、 globalvar_ release、globalvar_read、globalvar_write、gobalvar_ioctl，因此设备"globalvar"的基本 入口点结构变量gobalvar_fops 赋值如下：

struct file_operations globalvar_fops = {

　read: globalvar_read,

　write: globalvar_write,

};

下面是源码: [有改动]

1. #ifndef __KERNEL__
2. #define __KERNEL__
4. #endif
5. #ifndef MODULE
6. #define MODULE
7. #endif
9. #include <linux/module.h>
11. #include <linux/init.h>
13. #include <linux/fs.h>
15. #include <asm/uaccess.h>
17. //  #include <asm/semaphore.h>只在主机上运行  不需要
19. MODULE_LICENSE("GPL" );
21. #define MAJOR_NUM 250 //主设备号
23. static  ssize_t globalvar_read(struct  file *, char  *, size_t, loff_t*);
25. static  ssize_t globalvar_write(struct  file *, const  char  *, size_t, loff_t*);
27. //static struct semaphore sem;
29. //初始化字符设备驱动的file_operations结构体
31. struct  file_operations globalvar_fops =
32. {
33.     read:globalvar_read,
34.     write:globalvar_write,
35. };
37. static  int  global_var = 0; //"globalvar"设备的全局变量
39. static  int  __init globalvar_init(void )
40. {
42.     int  ret;
43.     //注册设备驱动
44.     ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar" , &globalvar_fops);
45.     if  (ret)
46.         printk("globalvar register failure!/n" );
47.     else
48.     {
49.         printk("globalvar register success!/n" );
50.     }
51.     return  ret;
52. }
54. static  void  __exit globalvar_exit(void )
55. {
56.     printk("globalvar unregister!/n" );
57.     //printk("%s/n",current->comm);
58.     unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar" );
59. }
61. static  ssize_t globalvar_read(struct  file *filp, char  *buf, size_t len, loff_t *off)
62. {
63.     if  (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof (int )))
64.         return  -EFAULT  ;
65.     return  sizeof (int );
67. }
69. static  ssize_t globalvar_write(struct  file *filp,const  char  *buf,size_t len,loff_t *off)
70. {
71. //将用户空间的数据复制到内核空间的global_var
72.     if  (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof (int )))
73.         return  -EFAULT;
74.     return  sizeof (int );
75. }
77. module_init(globalvar_init);
78. module_exit(globalvar_exit);
80. MODULE_LICENSE("GPL" );
81. MODULE_AUTHOR("neo" );

编译代码，运行 insmod globalvar.o  加载globalvar模块。[注意 这里我们加载了模块了 ]

接着我们运行：mknod /dev/globalvar c 250 0   [这里我们添加设备到/dev  设备名叫globalvar，这只是一个设备文件而已，如何和我们上面的模块联系起来呢？注意它的主设备号 250 ]

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：

 

注意：下面test程序需要自己敲，否则有中文字符问题

1. #include <sys/types.h>
3. #include <sys/stat.h>
5. #include <stdio.h>
7. #include <fcntl.h>
9. #include <unistd.h>//原文遗漏，添加上。
11. main()
12. {
13. 　int  fd, num;
14. 　//打开"/dev/globalvar"
15. 　fd = open("/dev/globalvar" , O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
16. 　if  (fd != -1 )
17. 　{
18. 　　//初次读globalvar
20. 　　read(fd, &num, sizeof (int ));
22. 　　printf("The globalvar is %d/n" , num);
24. 　　//写globalvar
26. 　　printf("Please input the num written to globalvar/n" );
28. 　　scanf("%d" , &num);
30. 　　write(fd, &num, sizeof (int ));
32. 　　//再次读globalvar
34. 　　read(fd, &num, sizeof (int ));
36. 　　printf("The globalvar is %d/n" , num);
38. 　　//关闭"/dev/globalvar"
40. 　　close(fd);
42. 　}
43. 　else
44. 　{
46. 　　printf("Device open failure/n" );
48. 　}
49. } 

[其实通过这个程序我们对于驱动程序编写大致有了个了解，注意到我们驱动程序为用户程序(比如read、write这些)提供的一系列文件操作，这样让用户程序编写呈现出一个统一的接口]

这个test程序也是需要在root用户下运行，否则会有问题，本人刚学习驱动程序，认为可能有权限设置问题（猜测）

 

祝：天下朋友万事如意！