linux 设备驱动笔记 - 字符设备驱动

linux 设备驱动笔记 - 字符设备驱动

    “全局性”是指，如果打开设备多次，所有打开它的文件描述符共享其中的数据。“持久性”是指，如果设备关闭后再次打开，数据不丢失。真实的驱动程序利用中断与它们的设备同步

主设备号和次设备号：

    主设备号标识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。我们可以通过

次设备号获得一个指向内核设备的直接指针，也可将次设备号当作设备本地数组的索引，不管用哪种方式，除了知

道次设备号用来指向驱动程序所实现的设备之外，内核本身基本上不关心关于次设备号的任何其他消息。

    设备编号的内部表达在内核中，dev_t类型（在中定义）用来保存设备编号——包括主设备号和次设备号。

MAJOR(dev_t dev);      MINOR(dev_t dev);       MKDEV(int major, int minor);

 

分配和释放设备编号:

int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor,unsigned int count, char *name);void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);  驱动程序需要将设备编号和内部函数连接起来，这些内部函数用来实现设备的操作。动态分配主设备号： 某些主设备号已经静态地分配给了大部分公用设备。在内核源码树的Documentation/device.txt文件中可以找到这些设备的列表。一旦驱动程序被广泛使用，随机选定的主设备号可能造成冲突和麻烦，强烈推荐你不要随便选择一个一个当前不用的设备号做为主设备号，而使用动态分配机制获取你的主设备号。动态分配的缺点是，由于分配给你的主设备号不能保证总是一样的，无法事先创建设备节点。然而这不是什么问题，这是因为一旦分配了设备号，你就可以从/proc/devices读到。为了加载一个设备驱动程序，对insmod的调用被替换为一个简单的脚本，它通过/proc/devices获得新分配的主设备号，并创建节点#!/bin/shmodule="scull"device="scull"mode="664" # invoke insmod with all arguments we got# and use a pathname, as newer modutils don't look in . by default /sbin/insmod ./$module.ko $* || exit 1 # remove stale nodes rm -f /dev/${device}[0-3]major=$(awk "\\$2=  =\"$module\" {print \\$1}" /proc/devices)mknod /dev/${device}0 c $major 0mknod /dev/${device}1 c $major 1mknod /dev/${device}2 c $major 2mknod /dev/${device}3 c $major 3 # give appropriate group/permissions, and change the group.# Not all distributions have staff, some have "wheel" instead. group="staff"grep -q '^staff:' /etc/group || group="wheel" chgrp $group /dev/${device}[0-3]chmod $mode  /dev/${device}[0-3]分配主设备号的最佳方式：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。Here's the code we use in scull 's source to get a major number: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;} 一些重要的数据结构 n文件操作file_operations u <linux/fs.h>中定义file_operations。u __user表明指针是一个用户空间地址，因此不能被直接引用。u ssize_t (*aio_write)(struct kiocb *, const char _ _user *, size_t,loff_t *); 初始化设备上的异步写入操作。u unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);是poll、epoll和select这三个系统调用的后端实现。可用来查询某个或多个文件描述符上的读取或写入是否会被阻塞。u int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);用于请求将设备内存映射到进程地址空间。u int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int);用户调用它来刷新待处理的数据。u int (*fasync) (int, struct file *, int);用来通知设备其FASYNC标志发生了变化。

 

    file结构 u struct file是一个内核结构，不会出现在用户程序中 inode结构 u 内核用inode结构在内部表示文件，因此它和file结构不同，后者表示打开的文件描述符。
对单个文件，可能会有许多个表示打开的文件描述符的file结构，但它们都指向单个inode
结构。 u dev_t i_rdev：对表示设备文件的inode结构，该字段包含了真正的设备编号。 u struct cdev *i_cdev;struct cdev表示字符设备的内核的内部结构。
当inode指向一个字符设备文件时，该字段包含了指向struct cdev结构的指针 u unsigned int iminor(struct inode *inode);u unsigned int imajor(struct inode *inode);用来从一个inode中获得主设备号和次设备号

 

字符设备的注册 n 内核内部使用struct cdev结构来表示字符设备。为此我们的代码应包含<linux/cdev.h>，其中定义了这个结构以及与其相关的一些辅助函数。

 

The classic way to register a char device driver is with:

int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
struct file_operations *fops);int unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);

 

open方法 n  在大部分驱动程序中，open完成如下工作：u 检查设备相关错误（诸如设备未就绪或相似的硬件问题）。u 如果是首次打开，初始化设备。u 标别次设备号，如有必要更新f_op指针。u 分配和填写要放在filp->private_data里的数据结构。u 增加使用计数。

 

 container_of(pointer, container_type, container_field);

 

 struct scull_dev *dev; /* device information */

 

 dev = container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev);  filp->private_data = dev; /* for other methods */ release方法

      

release方法的作用正好与open相反。这个设备方法有时也称为close。它应该：

 

n 使用计数减1。

n 释放open分配在filp->private_data中的内存。

n 在最后一次关闭操作时关闭设备。

 

The scull driver introduces two core functions used to manage memory in the Linux kernel.These functions,defined in <linux/slab.h>, are:

 

void *kmalloc(size_t size, int flags);

void kfree(void *ptr);

 

在scull中，每个设备都是一个指针链表，其中每个指针都指向一个scull_qset结构。默认情况下，每一个这样的结构通过

一个中间指针数组最多可引用4000000个字节。使用了一个有1000个指针的数组，每个指针指向一个4000字节的区域。

量子是什么？？P65 每个量子占用4000个字节

使用宏和整数值同时允许在编译期间和加载阶段进行配置，这种方法和前面选择主设备号的方法类似。对于驱动程序中任何不

确定的或与策略相关的数值，我们都可以使用这种技巧。

 

read和write

 

ssize_t read(struct file *filp, char _ _user *buff,size_t count, loff_t *offp); 从设备拷贝数据到用户空间 ssize_t write(struct file *filp, const char _ _user *buff,size_t count,loff_t *offp);
从用户空间拷贝数据到设备上。 

参数buff是指向用户空间的缓冲区，这个缓冲区或者保存要写入的数据，或者是一个存放新读入数据的空缓冲区。

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);

这两个函数还检测用户空间的指针是否有效。

 

Read方法

 

n 如果返回值等于最为count参数传递给read系统调用的值，所请求的字节数传输就成功完成了。这是最好的情况。

n 如果返回值是正的，但是比count小，只有部分数据成功传送。这种情况因设备的不同可能有许多原因。大部分情况下，

程序会重新读数据。例如，如果你用fread函数读数据，这个库库函数会不断调用系统调用直至所请求的数据传输完成。

n 如果返回值为0，它表示已经到达了文件尾。

n 负值意味着发生了错误。值就是错误编码，错误编码在<linux/errno.h>中定义。

 

与read相似，根据如下返回值规则，write也可以传输少于请求的数据量：

 

n 如果返回值等于count，则完成了请求数目的字节传送。

n 如果返回值是正的，但小于count，只传输了部分数据。再说明一次，程序很可能会再次读取余下的部分。

n 如果值为0，什么也没写。这个结果不是错误，而且也没有什么缘由需要返回一个错误编码。再说明一次，标准库会重复

调用write。以后的章节会介绍阻塞型write，我们会对这种情形最更详尽的考察。

n 负值意味发生了错误；语义与read相同。