/********************
* 字符設(shè)備驅(qū)動
********************/
(1)字符設(shè)備驅(qū)動介紹
字符設(shè)備是指那些按字節(jié)流訪問的設(shè)備，針對字符設(shè)備的驅(qū)動稱為字符設(shè)備驅(qū)動。
此類驅(qū)動適合于大多數(shù)簡單的硬件設(shè)備。比如并口打印機(jī)，我們通過在/dev下建立一個設(shè)備文件(如/dev/printer)來訪問它。
用戶應(yīng)用程序用標(biāo)準(zhǔn)的open函數(shù)打開dev/printer，然后用write向文件中寫入數(shù)據(jù)，用read從里面讀數(shù)據(jù)。
調(diào)用流程：
- write(): 用戶空間 -->
- sys_write(): VFS -->
- f_op->write: 特定設(shè)備的寫方法
所謂驅(qū)動，就是提供最后的write函數(shù)，通過訪問打印機(jī)硬件的寄存器直接和打印機(jī)對話
(2)主設(shè)備號和次設(shè)備號
a.設(shè)備編號介紹
對字符設(shè)備的訪問是通過文件系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備文件進(jìn)行的。這些文件位于/dev。用"ls -l"查看。
設(shè)備通過設(shè)備號來標(biāo)識。設(shè)備號分兩部分，主設(shè)備號和次設(shè)備號。
通常，主設(shè)備號標(biāo)示設(shè)備對應(yīng)的驅(qū)動程序，linux允許多個驅(qū)動共用一個主設(shè)備號；
而次設(shè)備號用于確定設(shè)備文件所指的設(shè)備。
在內(nèi)核中，用dev_t類型<linux/types.h>保存設(shè)備編號。
2.4內(nèi)核中采用16位設(shè)備號(8位主，8位從)，而2.6采用32位，12位主，20位從。
在驅(qū)動中訪問設(shè)備號應(yīng)該用<linux/kdev_t.h>中定義的宏。
獲取設(shè)備號：
- MAJOR(dev_t dev)
- MINOR(dev_t dev)
- MKDEV(int major, int minor)
b.分配和釋放設(shè)備編號
在建立一個字符設(shè)備前，驅(qū)動需要先獲得設(shè)備編號。
分配：
#include <linux/fs.h>
int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);
//first:要分配的設(shè)備編號范圍的起始值(次設(shè)備號常設(shè)為0)
//count: 所請求的連續(xù)編號范圍
//name: 和編號關(guān)聯(lián)的設(shè)備名稱(見/proc/devices)
也可以要求內(nèi)核動態(tài)分配：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);
//firstminor: 通常為0
//*dev: 存放內(nèi)核返回的設(shè)備號
釋放:
void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);
//在模塊的清除函數(shù)中調(diào)用
在Documentation/devices.txt中可以找到內(nèi)核已經(jīng)分配的設(shè)備號。
c.建立設(shè)備文件
當(dāng)設(shè)備驅(qū)動模塊向系統(tǒng)申請了主設(shè)備號和次設(shè)備號，并且已經(jīng)通過insmod加載到內(nèi)核中后，我們就可以通過在/dev下創(chuàng)建設(shè)備文件來訪問這個設(shè)備了。
字符設(shè)備的創(chuàng)建：$>mknod /dev/mychar c major minor
我們在驅(qū)動中常常采用動態(tài)分配主次設(shè)備號的方法，這樣不會和系統(tǒng)中已有的設(shè)備號沖突。
動態(tài)分配時，/dev下的設(shè)備文件也需要通過分析/proc/devices動態(tài)建立。
見char_load和char_unload腳本。
(3)字符設(shè)備的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
和字符設(shè)備驅(qū)動關(guān)系最緊密的3個基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是：file, file_oepeations和inode
a.file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)中包含了若干函數(shù)指針。這些函數(shù)就是實際和硬件打交道的函數(shù)。
用戶空間調(diào)用的open，write等函數(shù)最終會調(diào)用這里面的指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)。每個打開的文件和一組函數(shù)關(guān)聯(lián)。
見<linux/fs.h>和驅(qū)動書的p54
2.6內(nèi)核結(jié)構(gòu)的初始化：
struct file_operations my_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = my_llseek,
.read = my_read,
.write = my_write,
.ioctl = my_ioctl,
.open = my_open,
.release = my_release,
}
2.4內(nèi)核結(jié)構(gòu)的初始化：
struct file_operations my_fops = {
owner: THIS_MODULE,
llseek: my_llseek,
...
}
b.file結(jié)構(gòu)<linux/fs.h>
file是一個內(nèi)核結(jié)構(gòu)體，實際上和用戶open文件后返回的文件描述符fd對應(yīng)。
file結(jié)構(gòu)代表一個打開的文件，系統(tǒng)中每個打開的文件在內(nèi)核空間都有一個對應(yīng)的file結(jié)構(gòu)。
它由內(nèi)核在open時創(chuàng)建，并傳遞給在該文件上進(jìn)行操作的所有函數(shù)，直到最后的close函數(shù)，在文件的所有實例都被關(guān)閉后，內(nèi)核會釋放這個結(jié)構(gòu)。
用戶空間進(jìn)程fork一個新進(jìn)程后，新老進(jìn)程會共享打開的文件描述符fd，這個操作不會在內(nèi)核空間創(chuàng)建新的file結(jié)構(gòu)，只會增加已創(chuàng)建file結(jié)構(gòu)的計數(shù)。
見<linux/fs.h>
mode_t f_mode; 通過FMODE_READ和FMODE_WRITE標(biāo)示文件是否可讀或可寫。
loff_t f_pos; 當(dāng)前的讀寫位置，loff_t為64位
unsigned int f_flags; 文件標(biāo)志，如O_RDONLY, O_NONBLOCK, O_SYNC。標(biāo)志都定義在<linux/fcntl.h>
struct file_operations *f_op; 與文件相關(guān)的操作。內(nèi)核在執(zhí)行open時對這個指針賦值?？梢栽隍?qū)動的open方法中根據(jù)次設(shè)備號賦予不同的f_op
void *private; 通常將表示硬件設(shè)備的結(jié)構(gòu)體賦給private.
struct dentry *f_dentry; 文件對應(yīng)的目錄項(dentry)結(jié)構(gòu)?？赏ㄟ^filp->f_dentry->d_inode訪問索引節(jié)點。
file中其他的內(nèi)容和驅(qū)動關(guān)系不大。
c.inode結(jié)構(gòu)
內(nèi)核用inode結(jié)構(gòu)表示一個實際的文件，可以是一個普通的文件，也可以是一個設(shè)備文件。
每個文件只有一個inode結(jié)構(gòu)，而和文件描述符對應(yīng)的file結(jié)構(gòu)可以有多個(多次進(jìn)行open調(diào)用)。這些file都指向同一個inode。
inode定義在<linux/fs.h>
dev_t i_rdev; 對于表示設(shè)備文件的inode結(jié)構(gòu)，i_rdev里包含了真正的設(shè)備編號
struct cdev *i_cdev cdev是表示字符設(shè)備的內(nèi)核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)inode表示一個字符設(shè)備時，i_cdev指向內(nèi)核中的struct cdev.
其他結(jié)構(gòu)和設(shè)備驅(qū)動關(guān)系不大。
用如下宏從inode獲取設(shè)備號：
- unsigned int iminor(struct inode *inode)
- unsigned int imajor(struct inode *inode)
(4)字符設(shè)備的注冊
內(nèi)核內(nèi)部使用struct cdev結(jié)構(gòu)來表示一個字符設(shè)備。
我們的驅(qū)動要把自己的cdev注冊到內(nèi)核中去。見 <linux/cdev.h>
a.通常在設(shè)備的結(jié)構(gòu)中加入cdev
struct scull_dev{
...
struct cdev cdev; /* 字符設(shè)備結(jié)構(gòu) */
}
b.初始化
void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops)
c.設(shè)定cdev中的內(nèi)容
- dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
- dev->cdev.ops = &scull_fops;
d.向內(nèi)核添加設(shè)定好的cdev
int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count);
//num: 設(shè)備對應(yīng)的第一個編號
//count: 和設(shè)備關(guān)聯(lián)的設(shè)備編號的數(shù)量，常取1
//一旦cdev_add返回，內(nèi)核就認(rèn)為設(shè)備可以使用了，所以要在調(diào)用之前完成設(shè)備的硬件初始化。
(5)老式的注冊函數(shù)
2.4中的老式注冊函數(shù)仍然在驅(qū)動函數(shù)中大量存在，但新的代碼不應(yīng)該使用這些代碼。
注冊：
int register_chrdev(unsigned int major,
const char *name,
struct file_operations *fops);
//為給定的主設(shè)備號注冊0~255作為次設(shè)備號，并為每個設(shè)備建立一個對應(yīng)的默認(rèn)cdev結(jié)構(gòu)
注銷：
int unregister_chrdev(unsigned int major,
const char *name);
(6)open和release
a.open
在驅(qū)動的open方法中完成設(shè)備的初始化工作，open完成后，硬件就可以使用，用戶程序可以通過write等訪問設(shè)備，open的工作有：
- *檢查設(shè)備的特定錯誤
- *如果設(shè)備首次打開，則對其進(jìn)行初始化(有可能多次調(diào)用open)
- *如有必要，更新f_op指針
- *分配并填寫置于filp->private_data中的數(shù)據(jù)
open原型；
int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp);
//在open中通過inode獲得dev指針，并將其賦給file->private_data
//struct scull_dev *dev;
//dev = contain_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev);
//filp->private_data = dev;
//(如果dev是靜態(tài)分配的，則在open或write等方法中可以直接訪問dev，但如果dev是在module_init時動態(tài)分配的，則只能通過上面的方法獲得其指針)
b.release
并不是每個close調(diào)用都會引起對release方法的調(diào)用，只有當(dāng)file的計數(shù)器歸零時，才會調(diào)用release，從而釋放dev結(jié)構(gòu))
(7)read和write
read和write的工作是從用戶空間拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)核，或是將內(nèi)核數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間。其原型為：
ssize_t read(struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);
ssize_t write(struct file *filp, const char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);
//buff: 用戶空間的緩沖區(qū)指針
//offp: 用戶在文件中進(jìn)行存取操作的位置
//在read和write中，拷貝完數(shù)據(jù)后，應(yīng)該更新offp，并將實際完成的拷貝字節(jié)數(shù)返回。
(8)和用戶空間交換數(shù)據(jù)
read和write中的__user *buff 是用戶空間的指針，內(nèi)核不能直接引用其中的內(nèi)容(也就是不能直接對buff進(jìn)行取值操作)，需要通過內(nèi)核提供的函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝。其原因是：
- a.在不同架構(gòu)下，在內(nèi)核模式中運行時，用戶空間的指針可能是無效的。
- b.用戶空間的內(nèi)存是分頁的，系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行時，buff指向的內(nèi)存可能根本不在RAM中(被交換到磁盤中了)
- c.這可能是個無效或者惡意指針(比如指向內(nèi)核空間)
內(nèi)核和用戶空間交換數(shù)據(jù)的函數(shù)見<asm/uaccess.h>
如：
1. unsigned long copy_to_user(
void __user *to,
const void *from,
unsigned long count);
//向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)
2. unsigned long copy_from_user(
void *to,
const void __user *from,
unsigned long count);
//從用戶空間獲得數(shù)據(jù)
3. int put_user(datum, ptr)
//向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)。字節(jié)數(shù)由sizeof(*ptr)決定
//返回值為0成功，為負(fù)錯誤。
4. int get_user(local, ptr);
//從用戶空間獲得數(shù)據(jù)。字節(jié)數(shù)由sizeof(*ptr)決定
//返回值和local都是從用戶空間獲得的數(shù)據(jù)
任何訪問用戶空間的函數(shù)都必須是可睡眠的，這些函數(shù)需要可重入。
copy_to_user等函數(shù)如果返回值不等于0，則read或write應(yīng)向用戶空間返回-EFAULT
主設(shè)備號用來表示設(shè)備驅(qū)動， 次設(shè)備號表示使用該驅(qū)動的設(shè)備
在內(nèi)核dev_t 表示設(shè)備號， 設(shè)備號由主設(shè)備號和次設(shè)備號組成
#include <linux/kdev_t.h>
#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS)) //根據(jù)設(shè)備號獲取主設(shè)備號
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK)) //獲取次設(shè)備號
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi)) //根據(jù)指定的主設(shè)備和次設(shè)備號生成設(shè)備號
#include <linux/fs.h>
//靜態(tài)：申請指定的設(shè)備號, from指設(shè)備號, count指使用該驅(qū)動有多少個設(shè)備(次設(shè)備號), 設(shè)備名
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
//name的長度不能超過64字節(jié)
//動態(tài)申請設(shè)備號, 由內(nèi)核分配沒有使用的主設(shè)備號, 分配好的設(shè)備存在dev, baseminor指次設(shè)備號從多少開始, count指設(shè)備數(shù)， name設(shè)備名
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,
const char *name)
//釋放設(shè)備號, from指設(shè)備號， count指設(shè)備數(shù)
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
//cat /proc/devices 可查看設(shè)備使用情況
在內(nèi)核源碼的documentations/devices.txt可查看設(shè)備號的靜態(tài)分配情況
///內(nèi)核里使用struct cdev來描述一個字符設(shè)備驅(qū)動
#include <linux/cdev.h>
struct cdev {
struct kobject kobj; //內(nèi)核用于管理字符設(shè)備驅(qū)動
struct module *owner; //通常設(shè)為THIS_MODULE, 用于防止驅(qū)動在使用中時卸載驅(qū)動模塊
const struct file_operations *ops; //怎樣操作(vfs)
struct list_head list; //因多個設(shè)備可以使用同一個驅(qū)動， 用鏈表來記錄
dev_t dev; //設(shè)備號
unsigned int count; //設(shè)備數(shù)
};
////////字符設(shè)備驅(qū)動//////////
1. 申請設(shè)備號
2. 定義一個cdev的設(shè)備驅(qū)動對象
struct cdev mycdev;
//定義一個file_operations的文件操作對象
struct file_operations fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.read = 讀函數(shù)
....
};
3. 把fops對象與mycdev關(guān)聯(lián)起來
cdev_init(&mycdev, &fops); //mycdev.ops = &fops;
mycdev.owner = THIS_MODULE;
4. 把設(shè)備驅(qū)動加入內(nèi)核里, 并指定該驅(qū)動對應(yīng)的設(shè)備號
cdev_add(&mycdev, 設(shè)備號, 次設(shè)備號的個數(shù));
5. 卸載模塊時， 要把設(shè)備驅(qū)動從內(nèi)核里移除, 并把設(shè)備號反注冊
cdev_del(&mycdev);
///////////創(chuàng)建設(shè)備文件
mknod /dev/設(shè)備文件名 c 主設(shè)備號 次設(shè)備號
////////inode節(jié)點對象描述一個文件/設(shè)備文件, 包括權(quán)限，設(shè)備號等信息
struct inode {
...
dev_t i_rdev; //設(shè)備文件對應(yīng)的設(shè)備號
struct cdev *i_cdev; //指向?qū)?yīng)的設(shè)備驅(qū)動對象的地址
...
};
////file對象描述文件描述符, 在文件打開時創(chuàng)建, 關(guān)閉時銷毀
struct file {
...
const struct file_operations *f_op; //對應(yīng)的文件操作對象的地址
unsigned int f_flags; //文件打開的標(biāo)志
fmode_t f_mode; //權(quán)限
loff_t f_pos; //文件描述符的偏移
struct fown_struct f_owner; //屬于哪個進(jìn)程
unsigned int f_uid, f_gid;
void *private_data; //給驅(qū)動程序員使用
...
};
通file里的成員f_path.dentry->d_inode->i_rdev可以獲取到設(shè)備文件的設(shè)備號
///錯誤碼在<asm/errno.h> ////
/////////struct file_operations ////
inode表示應(yīng)用程序打開的文件的節(jié)點對象, file表示打開文件獲取到的文件描述符
成功返回0, 失敗返回錯誤碼
int (*open) (struct inode *, struct file *);
buf指向用戶進(jìn)程里的緩沖區(qū), len表示buf的大小(由用戶調(diào)用read時傳進(jìn)來的)
off表示fl文件描述符的操作偏移, 返回值為實際給用戶的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù).
ssize_t (*read) (struct file *fl, char __user *buf, size_t len, loff_t *off);
用戶進(jìn)程把數(shù)據(jù)給驅(qū)動
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
to指用戶進(jìn)程的緩沖區(qū), from指驅(qū)動里裝數(shù)據(jù)的緩沖區(qū), n多少字節(jié), 返回值是0
extern inline long copy_to_user(void __user *to, const void *from, long n)
to指驅(qū)動的... from用戶... n多少字節(jié), ....
static inline unsigned long __must_check copy_to_user(void __user *to, const
void *from, unsigned long n)
{
if (access_ok(VERIFY_WRITE, to, n))
n = __copy_to_user(to, from, n);
return n; //返回值為剩下多少字節(jié)沒拷貝
}
extern inline long copy_from_user(void *to, const void __user *from, long n)
- 如果與用戶進(jìn)程交互的數(shù)據(jù)是1,2,4,8字節(jié)的話， 可用put_user(x,p) //x為值， p為地址
- 如果從用戶進(jìn)程獲取1,2,4字節(jié)的話， 可用get_user(x,p)
///////////
///動態(tài)申請內(nèi)存, 并清零. size為申請多大(不要超過128K),
//flags為標(biāo)志(常為GFP_KERNEL). 成功返回地址， 失敗返回NULL
// GFP_ATOMIC, 使用系統(tǒng)的內(nèi)存緊急池
void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);//申請后要內(nèi)存要清零
void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags); //申請出來的內(nèi)存已清零
void kfree(const void *objp); //回收kmalloc/kzalloc的內(nèi)存
void *vmalloc(unsigned long size); //申請大內(nèi)存空間
void vfree(const void *addr); //回收vmalloc的內(nèi)存
// kmalloc申請出來的內(nèi)存是物理地址連續(xù)的, vmalloc不一定是連續(xù)的
///// container_of(ptr, type, member) type包括member成員的結(jié)構(gòu)體,
//ptr是type類型 結(jié)構(gòu)體的member成員的地址.
//此宏根據(jù)結(jié)構(gòu)體成員的地址獲取結(jié)構(gòu)體變量的首地址
#define container_of(ptr, type, member) ({ \
const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); \
(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})
#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)
15 typedef struct led_dev_t {
16 dev_t mydevid;
17 unsigned int *rLEDCON;
18 unsigned int *rLEDDAT;
19 struct cdev mycdev;
20 }LED_DEV;
LED_DEV myled;
//ind->i_cdev是指向myled.mycdev成員的地址
//結(jié)構(gòu)體變量myled首地址可由container_of(ind->i_cdev, LED_DEV, mycdev)獲取;
/////// 自動創(chuàng)建設(shè)備文件 ////
#include <linux/device.h>
1.
struct class *cl;
cl = class_create(owner, name) ; //owner指屬于哪個模塊, name類名
//創(chuàng)建出來后可以查看 /sys/class/類名
void class_destroy(struct class *cls); //用于銷毀創(chuàng)建出來的類
2. 創(chuàng)建設(shè)備文件
struct device *device_create(struct class *cls, struct device *parent,
dev_t devt, void *drvdata,
const char *fmt, ...)
__attribute__((format(printf, 5, 6)));
device_create(所屬的類, NULL, 設(shè)備號, NULL, "mydev%d", 88); //在/dev/目錄下產(chǎn)生名字為mydev88的設(shè)備文件
void device_destroy(struct class *cls, dev_t devt); //用于銷毀創(chuàng)建出來的設(shè)備文件
////////
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
const struct file_operations *fops) ; //注冊設(shè)備號并創(chuàng)建驅(qū)動對象
void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name); //反注冊設(shè)備號并刪除驅(qū)動對象
static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
const struct file_operations *fops)
{
return __register_chrdev(major, 0, 256, name, fops);
}
int __register_chrdev(unsigned int major, unsigned int baseminor,
unsigned int count, const char *name,
const struct file_operations *fops)
{
struct char_device_struct *cd;
struct cdev *cdev;
int err = -ENOMEM;
cd = __register_chrdev_region(major, baseminor, count, name);
if (IS_ERR(cd))
return PTR_ERR(cd);
cdev = cdev_alloc();
if (!cdev)
goto out2;
cdev->owner = fops->owner;
cdev->ops = fops;
kobject_set_name(&cdev->kobj, "%s", name);
err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, baseminor), count);
if (err)
goto out;
cd->cdev = cdev;
return major ? 0 : cd->major;
out:
kobject_put(&cdev->kobj);
out2:
kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, baseminor, count));
return err;
}
總結(jié)
以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，謝謝大家對腳本之家的支持。如果你想了解更多相關(guān)內(nèi)容請查看下面相關(guān)鏈接
