第三章字符设备驱动(2)—设备操作函数

来源：互联网发布：cdn网络加速器编辑：程序博客网时间：2024/05/11 13:16

本节主要学习设备操作函数，open()与release()函数，read()和write()函数。在学习这些函数之前，先学习三个非常重要的数据结构。
一.主要数据结构
1.文件操作struct file_operations
上一节中，我们已经为自己保留了一些设备编号，但是尚未将任何驱动程序操作连接到这些编号。file_operations结构就是用来建立这种连接的。该结构定义在<linux/fs.h>,具体定义请到源码中查看。它的初始化的形式为：

struct file_operations scull_fops = {
    .owner =    THIS_MODULE,
    .llseek =   scull_llseek,
    .read =     scull_read,
    .write =    scull_write,
    .ioctl =    scull_ioctl,
    .open =     scull_open,
    .release = scull_release,

};

    本节主要实现两个函数open和release，其它函数会在后边章节依次实现。
2.file结构
    file结构代表一个打开的文件。它由内核在open时建立，并传递给在该文件上进行操作的所有函数。在文件的所有实例都关闭之后，内核释放该结构。该结构在<linux/fs.h>具体定义请到源码中查看。
3.inode结构
    内核用inode在内部表示文件，它与file不同，file结构表示打开的文件描述符。对于单个的文件可能会有多个表示打开的文件描述符file结构，但是它们只有一个inode结构。
    inode结构中包含了大量有关文件的信息。作为常规，只有下边两个字段对编写驱动程序有用：
    /*对表示设备文件的inode结构，该字段包含了真正的设备编号*/
    dev_t i_rdev;
    /*表示字符设备的内核的内部结构*/
    struct cdev *i_cdev;
    i_rdev的类型在2.5中发生了变化，为了鼓励编写可移植性更强的代码，内核开发者增加了两个新的宏，可用来从inode中获得主次设备号：
    unsigned int imajor(struct inode *inode);
    unsigned int iminor(struct inode *inode);

二.字符设备的注册
内核内部使用struct cdev结构来表示字符设备。在内核调用设备的操作之前，必须分配并注册一个或多个struct cdev。代码应包含<linux/cdev.h>，它定义了struct cdev以及与其相关的一些辅助函数。
注册一个独立的cdev设备的基本过程如下：

1、为struct cdev 分配空间(如果已经将struct cdev 嵌入到自己的设备的特定结构体中，并分配了空间，这步略过！)
struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();
2、初始化struct cdev
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
3、初始化cdev.owner
cdev.owner = THIS_MODULE;
4、cdev设置完成，通知内核struct cdev的信息（在执行这步之前必须确定你对struct cdev的以上设置已经完成！）
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
从系统中移除一个字符设备：void cdev_del(struct cdev *p)

以下是scull中的初始化代码（之前已经为struct scull_dev 分配了空间）：

/*
* Set up the char_dev structure for this device.
*/
static void scull_setup_cdev(struct scull_dev *dev, int index)
{
    int err, devno = MKDEV(scull_major, scull_minor + index);

    cdev_init(&dev->cdev, &scull_fops);
    dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
    dev->cdev.ops = &scull_fops;//这句可以省略，在cdev_init中已经做过
    err = cdev_add (&dev->cdev, devno, 1);
    /* Fail gracefully if need be 这步值得注意*/
    if (err)
        printk(KERN_NOTICE "Error %d adding scull%d", err, index);
}

三.scull的内存使用
scull模型的结构体：

struct scull_qset {
    void **data;
    struct scull_qset *next;
};
struct scull_dev {
    struct scull_qset *data; /* Pointer to first quantum set */
    int quantum;              /* the current quantum size */
    int qset;                 /* the current array size */
    unsigned long size;       /* amount of data stored here */
    unsigned int access_key; /* used by sculluid and scullpriv */
    struct semaphore sem;     /* mutual exclusion semaphore     */
    struct cdev cdev;    /* Char device structure        */
};

scull驱动程序引入了两个Linux内核中用于内存管理的核心函数，它们的定义都在<linux/slab.h>:

void *kmalloc(size_t size, int flags);
void kfree(void *ptr);

以下是scull模块中的一个释放整个数据区的函数（类似清零），将在scull以写方式打开和scull_cleanup_module中被调用：

int scull_trim(struct scull_dev *dev)
{
     struct scull_qset *next, *dptr;
     int qset = dev->qset; /* 量子集中量子的个数*/
     int i;
     for (dptr = dev->data; dptr; dptr = next) { /* 循环scull_set个数次，直到dptr为NULL为止。*/
         if (dptr->data) {
               for (i = 0; i < qset; i++)/* 循环一个量子集中量子的个数次*/
                    kfree(dptr->data[i]);/* 释放其中一个量子的空间*/

               kfree(dptr->data);/* 释放当前的scull_set的量子集的空间*/
               dptr->data = NULL;/* 释放一个scull_set中的void **data指针*/
          }
      next = dptr->next; /* 准备下个scull_set的指针*/
      kfree(dptr);/* 释放当前的scull_set*/
      }
dev->size = 0; /* 当前的scull_device所存的数据为0字节*/
dev->quantum = scull_quantum;/* 初始化一个量子的大小*/
dev->qset = scull_qset;/* 初始化一个量子集中量子的个数*/
dev->data = NULL;/* 释放当前的scull_device的struct scull_qset *data指针*/
return 0;
}

以下是scull模块中的一个沿链表前行得到正确scull_set指针的函数，将在read和write方法中被调用：

struct scull_qset *scull_follow(struct scull_dev *dev, int n)
{
    struct scull_qset *qs = dev->data;
    if (! qs) {
        qs = dev->data = kmalloc(sizeof(struct scull_qset), GFP_KERNEL);
        if (qs == NULL)
            return NULL; /* Never mind */
        memset(qs, 0, sizeof(struct scull_qset));
    }

    while (n--) {
        /* 此处的判断很重要，它确保在写入时的内存分配直到内存耗尽，
        * 否则，只能写入qset*quantum大小的数据 */
        if (!qs->next) {
            qs->next = kmalloc(sizeof(struct scull_qset), GFP_KERNEL);
            if (qs->next == NULL)
                return NULL; /* Never mind */
            memset(qs->next, 0, sizeof(struct scull_qset));
        }
        qs = qs->next;
        continue;
    }
    return qs;

}

其实这个函数的实质是：如果已经存在这个scull_set，就返回这个scull_set的指针。如果不存在这个scull_set，一边沿链表为scull_set分配空间一边沿链表前行，直到所需要的scull_set被分配到空间并初始化为止，就返回这个scull_set的指针。
四、open和release
open方法提供给驱动程序以初始化的能力，为以后的操作作准备。应完成的工作如下：
(1)检查设备特定的错误（如设备未就绪或硬件问题）；
(2)如果设备是首次打开，则对其进行初始化；
(3)如有必要，更新f_op指针；
(4)分配并填写置于filp->private_data里的数据结构。
而根据scull的实际情况，他的open函数只要完成第四步（将初始化过的struct scull_dev dev的指针传递到filp->private_data里，以备后用）就好了，所以open函数很简单。但是其中用到了定义在<linux/kernel.h>中的container_of宏，源码如下：

#define container_of(ptr, type, member) ({     /
    const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);/
    (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

release方法提供释放内存，关闭设备的功能。应完成的工作如下：
（1）释放由open分配的、保存在file->private_data中的所有内容；
（2）在最后一次关闭操作时关闭设备。
由于前面定义了scull是一个全局且持久的内存区，所以他的release什么都不做。

五、read和write
read和write方法的主要作用就是实现内核与用户空间之间的数据拷贝。因为Linux的内核空间和用户空间隔离的，所以要实现数据拷贝就必须使用在<asm/uaccess.h>中定义的：

unsigned long copy_to_user(void __user *to,
                           const void *from,
                           unsigned long count);
unsigned long copy_from_user(void *to,
                             const void __user *from,
                             unsigned long count);

这两个函数是read和write函数中要用到的重要函数，它们也是内核和用户空间交换数据的关键函数。此外，内核又提供了另外两个函数，它们的原型是：

#define __copy_from_user(to,from,n) (memcpy(to, (void __force *)from, n), 0)
#define __copy_to_user(to,from,n) (memcpy((void __force *)to, from, n), 0)

上边两个函数与这两个的区别是它们对用户空间的指针进行了检查，它们实现的功能相似。
read与write函数中关键的就是这两个函数，其它需要注意的是函数中对scull_qset的操作，这个需要透彻理解scull_qset的定义，具体参见LDD3第三章。

六.实验步骤

root@xhy-desktop:/home/xhy/MyCode/Useful/scull# ./scull_load
root@xhy-desktop:/home/xhy/MyCode/work-ldd/ch3# ./scull_test
************** TEST ACCESS DRIVER**************
************** Write Test
device scull0 is open , fd = 149231744
write = 1500
************** Read Test
device scull0 is open , fd = 149231744
read len = 100
####################################################################################################
read len = 200
****************************************************************************************************
read len = 300
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read len = 400
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read len = 500
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read len = 600
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read len = 700
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read len = 800
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read len = 900
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read len = 1000
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read len = 1100
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read len = 1200
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read len = 1300
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read len = 1400
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read len = 1500
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