蛻變成蝶~Linux設備驅動之字符設備驅動

1、linux系統將設備分爲3類：字符設備、塊設備、網絡設備。使用驅動程序：

• 字符設備：是指只能一個字節一個字節讀寫的設備，不能隨機讀取設備內存中的某一數據，讀取數據須要按照前後數據。字符設備是面向流的設備，常見的字符設備有鼠標、鍵盤、串口、控制檯和LED設備等。
• 塊設備：是指能夠從設備的任意位置讀取必定長度數據的設備。塊設備包括硬盤、磁盤、U盤和SD卡等。

　　每個字符設備或塊設備都在/dev目錄下對應一個設備文件。linux用戶程序經過設備文件（或稱設備節點）來使用驅動程序操做字符設備和塊設備。

 

2、字符設備、字符設備驅動與用戶空間訪問該設備的程序三者之間的關係。

　　如圖，在Linux內核中使用cdev結構體來描述字符設備，經過其成員dev_t來定義設備號（分爲主、次設備號）以肯定字符設備的惟一性。經過其成員file_operations來定義字符設備驅動提供給VFS的接口函數，如常見的open()、read()、write()等。

      在Linux字符設備驅動中，模塊加載函數經過register_chrdev_region( ) 或alloc_chrdev_region( )來靜態或者動態獲取設備號，經過cdev_init( )創建cdev與file_operations之間的鏈接，經過cdev_add( )向系統添加一個cdev以完成註冊。模塊卸載函數經過cdev_del( )來註銷cdev，經過unregister_chrdev_region( )來釋放設備號。

       用戶空間訪問該設備的程序經過Linux系統調用，如open( )、read( )、write( )，來「調用」file_operations來定義字符設備驅動提供給VFS的接口函數。

 

3、字符設備驅動模型

 

1. 驅動初始化

     1.1. 分配cdev

        在2.6的內核中使用cdev結構體來描述字符設備，在驅動中分配cdev,主要是分配一個cdev結構體與申請設備號，以按鍵驅動爲例：

 1 /*……*/
 2 /* 分配cdev*/
 3 struct cdev btn_cdev;
 4 /*……*/
 5 /* 1.1 申請設備號*/
 6     if(major){
 7         //靜態
 8         dev_id = MKDEV(major, 0);
 9         register_chrdev_region(dev_id, 1, "button");
10     } else {
11         //動態
12         alloc_chardev_region(&dev_id, 0, 1, "button");
13         major = MAJOR(dev_id);
14     }
15 /*……*/

View Code

        從上面的代碼能夠看出，申請設備號有動靜之分，其實設備號還有主次之分。

        在Linux中以主設備號用來標識與設備文件相連的驅動程序。次編號被驅動程序用來辨別操做的是哪一個設備。cdev 結構體的 dev_t 成員定義了設備號，爲 32 位，其中高 12 位爲主設備號，低20 位爲次設備號。

        設備號的得到與生成：

        得到：主設備號：MAJOR(dev_t dev);

                  次設備號：MINOR(dev_t dev);

        生成：MKDEV(int major,int minor);

        設備號申請的動靜之分：

        靜態：   

1 int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)；
2 /*功能：申請使用從from開始的count 個設備號(主設備號不變，次設備號增長）*/

        靜態申請相對較簡單，可是一旦驅動被普遍使用,這個隨機選定的主設備號可能會致使設備號衝突，而使驅動程序沒法註冊。

        動態：

1 int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name)；
2 /*功能：請求內核動態分配count個設備號，且次設備號從baseminor開始。*/

        動態申請簡單，易於驅動推廣，可是沒法在安裝驅動前建立設備文件（由於安裝前尚未分配到主設備號）。

    1.2. 初始化cdev  

1     void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *); 
2         cdev_init()函數用於初始化 cdev 的成員，並創建 cdev 和 file_operations 之間的鏈接。

    1.3. 註冊cdev

1         int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
2 　　　　 cdev_add()函數向系統添加一個 cdev，完成字符設備的註冊。

    1.4. 硬件初始化

        硬件初始化主要是硬件資源的申請與配置，以TQ210的按鍵驅動爲例：

1 /* 1.4 硬件初始化*/
2     //申請GPIO資源
3     gpio_request(S5PV210_GPH0(0), "GPH0_0");
4     //配置輸入
5     gpio_direction_input(S5PV210_GPH0(0));

    2.實現設備操做

        用戶空間的程序以訪問文件的形式訪問字符設備，一般進行open、read、write、close等系統調用。而這些系統調用的最終落實則是file_operations結構體中成員函數，它們是字符設備驅動與內核的接口。以TQ210的按鍵驅動爲例：

1 /*設備操做集合*/
2 static struct file_operations btn_fops = {
3     .owner = THIS_MODULE,
4     .open = button_open,
5     .release = button_close,
6     .read = button_read
7 };

        上面代碼中的button_open、button_close、button_read是要在驅動中本身實現的。file_operations結構體成員函數有不少個，下面就選幾個常見的來展現：

    2.1. open（）函數

        原型：

1 int(*open)(struct inode *, struct file*); 
2 /*打開*/

    2.2. read( )函數

     原型：

ssize_t(*read)(struct file *, char __user*, size_t, loff_t*); 
/*用來從設備中讀取數據，成功時函數返回讀取的字節數，出錯時返回一個負值*/

    2.3. write( )函數

    原型：

1 ssize_t(*write)(struct file *, const char__user *, size_t, loff_t*);
2 /*向設備發送數據，成功時該函數返回寫入的字節數。若是此函數未被實現，
3   當用戶進行write()系統調用時，將獲得-EINVAL返回值*/

 

    2.4. close( )函數

    原型：

1 int(*release)(struct inode *, struct file*); 
2 /*關閉*/

 

 

 

    2.5. 補充說明

        1. 在Linux字符設備驅動程序設計中，有3種很是重要的數據結構：struct file、struct inode、struct file_operations。

        struct file 表明一個打開的文件。系統中每一個打開的文件在內核空間都有一個關聯的struct file。它由內核在打開文件時建立, 在文件關閉後釋放。其成員loff_t f_pos 表示文件讀寫位置。

        struct inode 用來記錄文件的物理上的信息。所以,它和表明打開文件的file結構是不一樣的。一個文件能夠對應多個file結構,但只有一個inode結構。其成員dev_t i_rdev表示設備號。

        struct file_operations 一個函數指針的集合，定義能在設備上進行的操做。結構中的成員指向驅動中的函數,這些函數實現一個特別的操做, 對於不支持的操做保留爲NULL。

        2. 在read( )和write( )中的buff 參數是用戶空間指針。所以,它不能被內核代碼直接引用，由於用戶空間指針在內核空間時可能根本是無效的——沒有那個地址的映射。所以，內核提供了專門的函數用於訪問用戶空間的指針：

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

    3. 驅動註銷

    3.1. 刪除cdev

        在字符設備驅動模塊卸載函數中經過cdev_del()函數向系統刪除一個cdev，完成字符設備的註銷。

/*原型：*/
void cdev_del(struct cdev *);
/*例：*/
cdev_del(&btn_cdev);　

    3.2. 釋放設備號

        在調用cdev_del()函數從系統註銷字符設備以後，unregister_chrdev_region()應該被調用以釋放原先申請的設備號。

/*原型：*/
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
/*例：*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(major, 0), 1);

 

4、字符設備驅動程序基礎:

4.1 cdev結構體

在Linux2.6 內核中，使用cdev結構體來描述一個字符設備，cdev結構體的定義以下：

 1 struct cdev {
 2 
 3       struct kobject kobj;
 4 
 5       struct module *owner;  /*一般爲THIS_MODULE*/
 6 
 7       struct file_operations *ops; /*在cdev_init()這個函數裏面與cdev結構聯繫起來*/
 8 
 9       struct  list_head list;
10 
11       dev_t  dev;  /*設備號*/
12 
13       unsigned int count;
14 
15 }；

View Code

cdev 結構體的dev_t 成員定義了設備號，爲32位，其中12位是主設備號，20位是次設備號，咱們只需使用二個簡單的宏就能夠從dev_t 中獲取主設備號和次設備號：

MAJOR(dev_t dev)

MINOR(dev_t dev)

相反地，能夠經過主次設備號來生成dev_t：

MKDEV(int major,int minor)

4.2 Linux 2.6內核提供一組函數用於操做cdev 結構體：

1：void cdev_init(struct cdev*,struct file_operations *);

2：struct cdev *cdev_alloc(void);

3：int cdev_add(struct cdev *,dev_t,unsigned);

4：void cdev_del(struct cdev *);

View Code

其中（1）用於初始化cdev結構體，並創建cdev與file_operations 之間的鏈接。（2）用於動態分配一個cdev結構，（3）向內核註冊一個cdev結構，（4）向內核註銷一個cdev結構

4.3  Linux 2.6內核分配和釋放設備號

      在調用cdev_add()函數向系統註冊字符設備以前，首先應向系統申請設備號，有二種方法申請設備號，一種是靜態申請設備號：

5：int register_chrdev_region(dev_t from,unsigned count,const char *name)

另外一種是動態申請設備號：

6：int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned baseminor,unsigned count,const char *name);

       其中，靜態申請是已知起始設備號的狀況，如先使用cat /proc/devices 命令查得哪一個設備號未事先使用（不推薦使用靜態申請）；動態申請是由系統自動分配，只需設置major = 0便可。

      相反地，在調用cdev_del()函數從系統中註銷字符設備以後，應該向系統申請釋放原先申請的設備號，使用：

7：void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count);

4.4 cdev結構的file_operations結構體

      這個結構體是字符設備當中最重要的結構體之一，file_operations 結構體中的成員函數指針是字符設備驅動程序設計的主體內容，這些函數實際上在應用程序進行Linux 的 open()、read()、write()、close()、seek()、ioctl()等系統調用時最終被調用。

 1 struct file_operations {
 2 
 3 /*擁有該結構的模塊計數，通常爲THIS_MODULE*/
 4  struct module *owner;
 5 
 6 /*用於修改文件當前的讀寫位置*/
 7  loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
 8 
 9 /*從設備中同步讀取數據*/
10  ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
11 
12 /*向設備中寫數據*/
13  ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
14 
15 
16  ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
17  ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
18  int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
19 
20 /*輪詢函數，判斷目前是否能夠進行非阻塞的讀取或寫入*/
21  unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
22 
23 /*執行設備的I/O命令*/
24  int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
25 
26 
27  long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
28  long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
29 
30 /*用於請求將設備內存映射到進程地址空間*/
31  int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
32 
33 /*打開設備文件*/
34  int (*open) (struct inode *, struct file *);
35  int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
36 
37 /*關閉設備文件*/
38  int (*release) (struct inode *, struct file *);
39 
40 
41  int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
42  int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
43  int (*fasync) (int, struct file *, int);
44  int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
45  ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
46  unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
47  int (*check_flags)(int);
48  int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
49  ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
50  ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
51  int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
52 };

View Code

4.5 file結構

 file  結構表明一個打開的文件，它的特色是一個文件能夠對應多個file結構。它由內核再open時建立，並傳遞給在該文件上操做的全部函數，直到最後close函數，在文件的全部實例都被關閉以後，內核才釋放這個數據結構。

    在內核源代碼中，指向 struct file 的指針一般比稱爲filp，file結構有如下幾個重要的成員：

 1 struct file{
 2 
 3 mode_t   fmode; /*文件模式，如FMODE_READ，FMODE_WRITE*/
 4 
 5 ......
 6 
 7 loff_t   f_pos;  /*loff_t 是一個64位的數，須要時，須強制轉換爲32位*/
 8 
 9 unsigned int f_flags;  /*文件標誌，如：O_NONBLOCK*/
10 
11 struct  file_operations  *f_op;
12 
13 void  *private_data;  /*很是重要，用於存放轉換後的設備描述結構指針*/
14 
15 .......
16 
17 };

View Code

4.6 inode 結構

      內核用inode 結構在內部表示文件，它是實實在在的表示物理硬件上的某一個文件，且一個文件僅有一個inode與之對應，一樣它有二個比較重要的成員：

 1 struct inode{
 2 
 3 dev_t  i_rdev;            /*設備編號*/
 4 
 5 struct cdev *i_cdev;  /*cdev 是表示字符設備的內核的內部結構*/
 6 
 7 };
 8 
 9 能夠從inode中獲取主次設備號，使用下面二個宏：
10 
11 /*驅動工程師通常不關心這二個宏*/
12 
13 unsigned int imajor(struct inode *inode);
14 
15 unsigned int iminor(struct inode *inode); 

View Code

4.7字符設備驅動模塊加載與卸載函數

      在字符設備驅動模塊加載函數中應該實現設備號的申請和cdev 結構的註冊，而在卸載函數中應該實現設備號的釋放與cdev結構的註銷。

      咱們通常習慣將cdev內嵌到另一個設備相關的結構體裏面，該設備包含所涉及的cdev、私有數據及信號量等等信息。常見的設備結構體、模塊加載函數、模塊卸載函數形式以下：

 1 /*設備結構體*/
 2 
 3 struct  xxx_dev{
 4 
 5       struct   cdev   cdev;
 6 
 7       char *data;
 8 
 9       struct semaphore sem;
10 
11       ......
12 
13 };
14 
15  
16 
17 /*模塊加載函數*/
18 
19 static int   __init  xxx_init(void)
20 
21 {
22 
23       .......
24 
25       初始化cdev結構;
26 
27       申請設備號；
28 
29       註冊設備號；
30 
31      
32 
33        申請分配設備結構體的內存；  /*非必須*/
34 
35 }
36 
37  
38 
39 /*模塊卸載函數*/
40 
41 static void  __exit   xxx_exit(void)
42 
43 {
44 
45        .......
46 
47        釋放原先申請的設備號；
48 
49        釋放原先申請的內存；
50 
51        註銷cdev設備；
52 
53 }
54 
55  

View Code

4.8字符設備驅動的 file_operations 結構體重成員函數

 1 /*讀設備*/
 2 
 3 ssize_t   xxx_read(struct file *filp,  char __user *buf,  size_t  count,  loff_t *f_pos)
 4 
 5 {
 6 
 7         ......
 8 
 9         使用filp->private_data獲取設備結構體指針；
10 
11         分析和獲取有效的長度；
12 
13         /*內核空間到用戶空間的數據傳遞*/
14 
15         copy_to_user(void __user *to,  const void *from,  unsigned long count);
16 
17         ......
18 
19 }
20 
21 /*寫設備*/
22 
23 ssize_t   xxx_write(struct file *filp,  const char  __user *buf,  size_t  count,  loff_t *f_pos)
24 
25 {
26 
27         ......
28 
29         使用filp->private_data獲取設備結構體指針；
30 
31         分析和獲取有效的長度；
32 
33         /*用戶空間到內核空間的數據傳遞*/
34 
35         copy_from_user(void *to,  const  void   __user *from,  unsigned long count);
36 
37         ......
38 
39 }
40 
41 /*ioctl函數*/
42 
43 static int xxx_ioctl(struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg)
44 
45 {
46 
47       ......
48 
49       switch(cmd){
50 
51            case  xxx_CMD1:
52 
53                         ......
54 
55                         break;
56 
57            case  xxx_CMD2:
58 
59                        .......
60 
61                       break;
62 
63            default:
64 
65                       return -ENOTTY;  /*不能支持的命令*/
66 
67       }
68 
69       return 0;
70 
71 }

View Code

4.九、字符設備驅動文件操做結構體模板

 1 struct file_operations xxx_fops = {
 2 
 3       .owner = THIS_MODULE,
 4 
 5       .open = xxx_open,
 6 
 7       .read = xxx_read,
 8 
 9      .write = xxx_write,
10 
11      .close = xxx_release,
12 
13      .ioctl = xxx_ioctl,
14 
15      .lseek = xxx_llseek,
16 
17 };
18 
19 上面的寫法須要注意二點，一：結構體成員之間是以逗號分開的而不是分號，結構體字段結束時最後應加上分號。

View Code

 

5、字符設備驅動小結：

　　字符設備是3大類設備（字符設備、塊設備、網絡設備）中較簡單的一類設備，其驅動程序中完成的主要工做是初始化、添加和刪除cdev結構體，申請和釋放設備號，以及填充file_operation結構體中操做函數，並實現file_operations結構體中的read()、write()、ioctl()等重要函數。如圖所示爲cdev結構體、file_operations和用戶空間調用驅動的關係。

 

 　　版權全部，轉載請註明轉載地址：http://www.cnblogs.com/lihuidashen/p/4426129.html