linux驱动_实例剖析

      上一章节文章中介绍了一个最简单的驱动程序，对驱动程序有一些了解，本章节文章详解介绍驱动程序的编写。

      1.实例剖析：

      写一个最简单的字符设备驱动程序，它什么也不做，但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理。把下面的C代码输入机器，你就会获得一个真正的设备驱动程序。

<span style="background-color: rgb(255, 255, 255);">#define  __NO_VERSION__ 
#include  <linux/modules.h> 
#include  <linux/version.h> </span>

<span style="background-color: rgb(255, 255, 255);">char kernel_version [] = UTS_RELEASE; </span>

<span style="background-color: rgb(255, 255, 255);"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">      上面的code定义了一些版本信息，虽然用处不是很大，但也必不可少。Johnsonm说所有的驱动程序的开头都要包含<linux/config.h>，一般来讲最好使用。</span><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的操作方式不外乎就是一些系统调用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系统调用和驱动程序关联起来呢?这需要了解一个非常关键的数据结构： </span>
</span>

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px; background-color: rgb(255, 255, 255);"></span><pre name="code" class="cpp">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); 
} 

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">     这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read/write操作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。这是linux的设备驱动程序工作的基本原理。既然是这样，则编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数，并填充file_operations的各个域。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　下面就开始写子程序：</span>

#include <linux/types.h> 
#include <linux/fs.h> 
#include <linux/mm.h> 
#include <linux/errno.h> 
#include <asm/segment.h> 
unsigned int test_major = 0; 
static int read_test(struct inode *node，struct file *file，char *buf，int count)
{ 
    int left; 
    if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT ) 
        return -EFAULT; 
    for(left = count ; left > 0 ; left--) 
    { 
        __put_user(1，buf，1); 
        buf++; 
    } 
    return count; 
} 

这个函数是为read调用准备的。当调用read时，read_test()被调用，它把用户的缓冲区全部写1。buf 是read调用的一个参数。它是用户进程空间的一个地址。但是在read_test被调用时，系统进入核心态。所以不能使用buf这个地址，必须用__put_user()，这是kernel提供的一个函数，用于向用户传送数据。另外还有很多类似功能的函数。请参考，在向用户空间拷贝数据之前，必须验证buf是否可用。这就用到函数verify_area。

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px; background-color: rgb(255, 255, 255);"></span><pre name="code" class="cpp">static int write_tibet(struct inode *inode，struct file *file，const char *buf，int count) 
{ 
    return count; 
} 

static int open_tibet(struct inode *inode，struct file *file ) 
{
    MOD_INC_USE_COUNT; 
    return 0; 
} 

static void release_tibet(struct inode *inode，struct file *file ) 
{ 
    MOD_DEC_USE_COUNT; 
} 

这几个函数都是空操作。实际调用发生时什么也不做，他们仅仅为下面的结构提供函数指针。

<span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px; background-color: rgb(255, 255, 255);"></span><pre name="code" class="cpp" style="font-size: 14px;">struct file_operations test_fops = { 
NULL， 
read_test， 
write_test， 
NULL， /* test_readdir */ 
NULL， 
NULL， /* test_ioctl */ 
NULL， /* test_mmap */ 
open_test， 
release_test， 
NULL， /* test_fsync */ 
NULL， /* test_fasync */ 
/* nothing more， fill with NULLs */ 
};  

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">      设备驱动程序的主体可以说是写好了。现在要把驱动程序嵌入内核。驱动程序可以按照两种方式编译。一种是编译进kernel，另一种是编译成模块(modules)，如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文件，而且不能动态的卸载，不利于调试，所以推荐使用模块方式。</span>

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"></span><pre name="code" class="cpp">int init_module(void) 
{ 
    int result; 
    result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops); 
    if (result < 0) { 
        printk(KERN_INFO "test: can't get major number\n"); 
        return result; 
    } 
    if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */ 
        return 0; 
} 

在用insmod命令将编译好的模块调入内存时，init_module 函数被调用。在这里，init_module只做了一件事，就是向系统的字符设备表登记了一个字符设备。register_chrdev需要三个参数，参数一是希望获得的设备号，如果是零的话，系统将选择一个没有被占用的设备号返回。参数二是设备文件名，参数三用来登记驱动程序实际执行操作的函数的指针。 
　　如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功，返回一个负值。 

<span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px;"></span><pre name="code" class="cpp" style="font-size: 14px;">void cleanup_module(void) 
{ 
    unregister_chrdev(test_major，"test"); 
}  

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">     在用rmmod卸载模块时，cleanup_module函数被调用，它释放字符设备test在系统字符设备表中占有的表项。 </span>

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">     一个极其简单的字符设备可以说写好了，文件名就叫test.c吧，</span><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">下面编译 :</span>

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">     $ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c </span>

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">     得到文件test.o就是一个设备驱动程序，</span><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">如果设备驱动程序有多个文件，把每个文件按上面的命令行编译，然后：</span></span>

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">     ld  -r  file1.o  file2.o  -o  modulename</span></span>

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">     驱动程序已经编译好了，现在把它安装到系统中去：</span>
</span></span>

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">     $ insmod  –f  test.o </span></span></span>

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">     <span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test，并可以看到它的主设备号。要卸载的话，运行:</span></span></span></span>

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">     $ rmmod test </span></span></span></span>

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">     <span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">下一步要创建设备文件：</span></span></span></span></span>

<span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">     mknod /dev/test c major minor </span></span></span></span></span><span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px;">  //</span><span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px;">c 是指字符设备，major是主设备号，就是在/proc/devices里看到的</span>

<span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px;">     用shell命令：$ cat /proc/devices  <span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">就可以获得主设备号，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。</span><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">minor是从设备号，设置成0就可以了。 </span><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个小小的测试程序。 </span> </span>

<span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px;">    </span><pre name="code" class="cpp">#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h> 
#include <fcntl.h> 
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("%d\n"，buf[i]); 
close(testdev); 
} 

　 编译运行，看看是不是打印出全1 ？ 以上只是一个简单的演示。真正实用的驱动程序要复杂的多，要处理如中断，DMA，I/O port等问题。这些才是真正的难点。请看下节，实际情况的处理。 

<span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">
</span></span>

<span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px;"><span style="font-size:14px;"><strong>2.设备驱动程序中的一些具体问题：</strong></span></span></span>

<span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">      <span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"><strong><span style="color:#ff0000;">I/O Port：</span></strong> </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　和硬件打交道离不开I/O Port，老的ISA设备经常是占用实际的I/O端口，在linux下，操作系统没有对I/O口屏蔽，也就是说，任何驱动程序都可对任意的I/O口操作，这样就很容易引起混乱。每个驱动程序应该自己避免误用端口。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　有两个重要的kernel函数可以保证驱动程序做到这一点。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　1）check_region(int io_port， int off_set) </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　这个函数察看系统的I/O表，看是否有别的驱动程序占用某一段I/O口。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　参数1：io端口的基地址， </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　参数2：io端口占用的范围。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　返回值：0 没有占用， 非0，已经被占用。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　2）request_region(int io_port， int off_set，char *devname) </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　如果这段I/O端口没有被占用，在我们的驱动程序中就可以使用它。在使用之前，必须向系统登记，以防止被其他程序占用。登记后，在/proc/ioports文件中可以看到你登记的io口。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　参数1：io端口的基地址。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　参数2：io端口占用的范围。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　参数3：使用这段io地址的设备名。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　在对I/O口登记后，就可以放心地用inb()， outb()之类的函来访问了。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">在一些pci设备中，I/O端口被映射到一段内存中去，要访问这些端口就相当于访问一段内存。经常性的，我们要获得一块内存的物理地址。</span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　<strong><span style="color:#ff0000;">内存操作：</span></strong> </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　在设备驱动程序中动态开辟内存，不是用malloc，而是kmalloc，或者用get_free_pages直接申请页。释放内存用的是kfree，或free_pages。 请注意，kmalloc等函数返回的是物理地址！ </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　注意，kmalloc最大只能开辟128k-16，16个字节是被页描述符结构占用了。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　内存映射的I/O口，寄存器或者是硬件设备的RAM(如显存)一般占用F0000000以上的地址空间。在驱动程序中不能直接访问，要通过kernel函数vremap获得重新映射以后的地址。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　另外，很多硬件需要一块比较大的连续内存用作DMA传送。这块程序需要一直驻留在内存，不能被交换到文件中去。但是kmalloc最多只能开辟128k的内存。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　这可以通过牺牲一些系统内存的方法来解决。 </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　</span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　   <strong><span style="color:#ff0000;">中断处理</span></strong> </span><br style="word-wrap: break-word; font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;" /><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">　　同处理I/O端口一样，要使用一个中断，必须先向系统登记。 </span></span></span><span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px;">     </span>

<span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px;"><span style="line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;"></span></span></span><pre name="code" class="cpp">    int request_irq(unsigned int irq ，void(*handle)(int，void *，struct pt_regs *)，
    unsigned int long flags， const char *device); 

irq: 是要申请的中断。 
handle：中断处理函数指针。 
flags：SA_INTERRUPT 请求一个快速中断，0 正常中断。 
device：设备名。
　 如果登记成功，返回0，这时在/proc/interrupts文件中可以看你请求的中断。

<span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">
</span></span>

<span style="font-family: song, Verdana; line-height: 22.4px;"><span style="font-family: song, Verdana; font-size: 14px; line-height: 22.4px;">
</span></span>