Linux设备驱动程序学习（1）

来源：互联网发布：俞长栋数据编辑：程序博客网时间：2024/06/07 05:02

Linux设备驱动程序学习（1）
-字符设备驱动程序

今天进入《Linux设备驱动程序（第3版）》第三章字符设备驱动程序的学习。
这一章主要通过介绍字符设备scull（Simple Character Utility for Loading Localities，区域装载的简单字符工具）的驱动程序编写，来学习Linux设备驱动的基本知识。scull可以为真正的设备驱动程序提供样板。

一、主设备号和次设备号
主设备号表示设备对应的驱动程序；次设备号由内核使用，用于正确确定设备文件所指的设备。
内核用dev_t类型（<linux/types.h>）来保存设备编号，dev_t是一个32位的数，12位表示主设备号，20为表示次设备号。
在实际使用中，是通过<linux/kdev_t.h>中定义的宏来转换格式。
(dev_t)-->主设备号、次设备号 MAJOR(dev_t dev)
MINOR(dev_t dev)
主设备号、次设备号-->(dev_t) MKDEV(int major,int minor)
建立一个字符设备之前，驱动程序首先要做的事情就是获得设备编号。其这主要函数在<linux/fs.h>中声明：

int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name); //指定设备编号 int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name); //动态生成设备编号 void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count); //释放设备编号

分配之设备号的最佳方式是：默认采用动态分配，同时保留在加载甚至是编译时指定主设备号的余地。

以下是在scull.c中用来获取主设备好的代码：

if (scull_major) { dev = MKDEV(scull_major, scull_minor); result = register_chrdev_region(dev, scull_nr_devs, "scull"); } else { result = alloc_chrdev_region(&dev, scull_minor, scull_nr_devs,"scull"); scull_major = MAJOR(dev); } if (result < 0) { printk(KERN_WARNING "scull: can't get major %d\n", scull_major); return result; }

在这部分中，比较重要的是在用函数获取设备编号后，其中的参数name是和该编号范围关联的设备名称，它将出现在/proc/devices和sysfs中。

看到这里，就可以理解为什么mdev和udev可以动态、自动地生成当前系统需要的设备文件。udev就是通过读取sysfs下的信息来识别硬件设备的.
(请看《理解和认识udev》
URL：http://blog.chinaunix.net/u/6541/showart_396425.html)

二、一些重要的数据结构
大部分基本的驱动程序操作涉及及到三个重要的内核数据结构，分别是file_operations、file和inode，它们的定义都在<linux/fs.h>。

三、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); }

四、scull模型的内存使用

以下是scull模型的结构体：

/* * Representation of scull quantum sets. */ 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：

/*Follow the list*/ struct scull_qset *scull_follow(struct scull_dev *dev, int n) { struct scull_qset *qs = dev->data; /* Allocate first qset explicitly if need be */ 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)); } /* Then follow the list */ while (n--) { 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。

五、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) );})

其实从源码可以看出，其作用就是：通过指针ptr，获得包含ptr所指向数据（是member结构体）的type结构体的指针。即是用指针得到另外一个指针。

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。

六、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);

而值得一提的是以上两个函数和

#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)

之间的关系：通过源码可知，前者调用后者，但前者在调用前对用户空间指针进行了检查。

至于read和write 的具体函数比较简单，就在实验中验证好了。

七、模块实验

这次模块实验的使用是友善之臂SBC2440V4，使用Linux2.6.22.2内核。

模块程序链接：scull模块源程序
模块测试程序链接：模块测试程序

测试结果：

量子大小为6：

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/ [Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.koscull_quantum=6

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat /proc/devices
Character devices:
1 mem
2 pty
3 ttyp
4 /dev/vc/0
4 tty
4 ttyS
5 /dev/tty
5 /dev/console
5 /dev/ptmx
7 vcs
10 misc
13 input
14 sound
81 video4linux
89 i2c
90 mtd
116 alsa
128 ptm
136 pts
180 usb
189 usb_device
204 s3c2410_serial
252 scull
253 usb_endpoint
254 rtc

Block devices:
1 ramdisk
256 rfd
7 loop
31 mtdblock
93 nftl
96 inftl
179 mmc
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull0 c 252 0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull1 c 252 1
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull2 c 252 2
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull3 c 252 3

启动测试程序

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test

write error! code=6

write ok! code=2

read error! code=6

read ok! code=2

[0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4

[5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9

[10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14

[15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19

改变量子大小为默认值4000：
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko

启动测试程序
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test
write ok! code=20
read ok! code=20
[0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4
[5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9
[10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14
[15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#

改变量子大小为6，量子集大小为2：
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko scull_quantum=6 scull_qset=2

启动测试程序
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test
write error! code=6
write error! code=6
write error! code=6
write ok! code=2
read error! code=6
read error! code=6
read error! code=6
read ok! code=2
[0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4
[5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9
[10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14
[15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19

实验不仅测试了模块的读写能力，还测试了量子读写是否有效。