深入浅出Linux设备驱动之字符设备驱动程序
刺猬@http://blog.csdn.net/littlehedgehog
注: 该系列文章转载自arm+linux chinaunix博客圈圈主之博客——http://blog.chinaunix.net/u/22630/article_54997.html 为了适合我的编译环境,源代码有改动,但是相信更加适合现在大多数读者的环境。
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:
- static int __init globalvar_init(void)
- {
- if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " globalvar ", &globalvar_fops))
- {
-
- }
- else
- {
-
- }
- }
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():
- static void __exit globalvar_exit(void)
- {
- if (unregister_chrdev(MAJOR_NUM, " globalvar "))
- {
-
- }
- else
- {
-
- }
- }
[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: [注意有改动]
- #ifndef __KERNEL__
- #define __KERNEL__
- #endif
- #ifndef MODULE
- #define MODULE
- #endif
- #include <linux/module.h>
- #include <linux/init.h>
- #include <linux/fs.h>
- #include <asm/uaccess.h>
- #include <asm/semaphore.h>
- MODULE_LICENSE("GPL");
- #define MAJOR_NUM 250 //主设备号
- static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*);
- static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);
- struct file_operations globalvar_fops =
- {
- read:globalvar_read,
- write:globalvar_write,
- };
- static int global_var = 0;
- static int __init globalvar_init(void)
- {
- int ret;
-
- ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops);
- if (ret)
- printk("globalvar register failure!/n");
- else
- {
- printk("globalvar register success!/n");
- }
- return ret;
- }
- static void __exit globalvar_exit(void)
- {
- printk("globalvar unregister!/n");
-
- unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");
- }
- static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
- {
- if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
- return -EFAULT ;
- return sizeof(int);
- }
- static ssize_t globalvar_write(struct file *filp,const char *buf,size_t len,loff_t *off)
- {
- if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))
- return -EFAULT;
- return sizeof(int);
- }
- module_init(globalvar_init);
- module_exit(globalvar_exit);
- MODULE_LICENSE("GPL");
- 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:
- #include <sys/types.h>
- #include <sys/stat.h>
- #include <stdio.h>
- #include <fcntl.h>
- #include <unistd.h>//原文遗漏,添加上。
- main()
- {
- int fd, num;
-
- fd = open("/dev/globalvar", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
- if (fd != -1 )
- {
-
- read(fd, &num, sizeof(int));
- printf("The globalvar is %d/n", num);
-
- printf("Please input the num written to globalvar/n");
- scanf("%d", &num);
- write(fd, &num, sizeof(int));
-
- read(fd, &num, sizeof(int));
- printf("The globalvar is %d/n", num);
-
- close(fd);
- }
- else
- {
- printf("Device open failure/n");
- }
- }
[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]