Linux内核设备驱动之字符设备驱动笔记整理

2023-09-02 19:50:04 76

/********************
*字符设备驱动
********************/

(1)字符设备驱动介绍

字符设备是指那些按字节流访问的设备，针对字符设备的驱动称为字符设备驱动。

此类驱动适合于大多数简单的硬件设备。比如并口打印机，我们通过在/dev下建立一个设备文件(如/dev/printer)来访问它。

用户应用程序用标准的open函数打开dev/printer，然后用write向文件中写入数据，用read从里面读数据。

调用流程：

write():用户空间-->
sys_write():VFS-->
f_op->write:特定设备的写方法

所谓驱动，就是提供最后的write函数，通过访问打印机硬件的寄存器直接和打印机对话

(2)主设备号和次设备号

a.设备编号介绍

对字符设备的访问是通过文件系统内的设备文件进行的。这些文件位于/dev。用"ls-l"查看。

设备通过设备号来标识。设备号分两部分，主设备号和次设备号。

通常，主设备号标示设备对应的驱动程序，linux允许多个驱动共用一个主设备号；

而次设备号用于确定设备文件所指的设备。

在内核中，用dev_t类型保存设备编号。

2.4内核中采用16位设备号(8位主，8位从)，而2.6采用32位，12位主，20位从。

在驱动中访问设备号应该用中定义的宏。

获取设备号：

MAJOR(dev_tdev)
MINOR(dev_tdev)
MKDEV(intmajor,intminor)

b.分配和释放设备编号

在建立一个字符设备前，驱动需要先获得设备编号。

分配：

#include
intregister_chrdev_region(dev_tfirst,unsignedintcount,char*name);
//first:要分配的设备编号范围的起始值(次设备号常设为0)
//count:所请求的连续编号范围
//name:和编号关联的设备名称(见/proc/devices)

也可以要求内核动态分配：

intalloc_chrdev_region(dev_t*dev,unsignedintfirstminor,unsignedintcount,char*name);
//firstminor:通常为0
//*dev:存放内核返回的设备号

释放:

voidunregister_chrdev_region(dev_tfirst,unsignedintcount);
//在模块的清除函数中调用

在Documentation/devices.txt中可以找到内核已经分配的设备号。

c.建立设备文件

当设备驱动模块向系统申请了主设备号和次设备号，并且已经通过insmod加载到内核中后，我们就可以通过在/dev下创建设备文件来访问这个设备了。

字符设备的创建：$>mknod/dev/mycharcmajorminor

我们在驱动中常常采用动态分配主次设备号的方法，这样不会和系统中已有的设备号冲突。

动态分配时，/dev下的设备文件也需要通过分析/proc/devices动态建立。

见char_load和char_unload脚本。

(3)字符设备的基本数据结构

和字符设备驱动关系最紧密的3个基本的数据结构是：file,file_oepeations和inode

a.file_operations数据结构

结构中包含了若干函数指针。这些函数就是实际和硬件打交道的函数。

用户空间调用的open，write等函数最终会调用这里面的指针所指向的函数。每个打开的文件和一组函数关联。

见和驱动书的p54

2.6内核结构的初始化：

structfile_operationsmy_fops={
.owner=THIS_MODULE,
.llseek=my_llseek,
.read=my_read,
.write=my_write,
.ioctl=my_ioctl,
.open=my_open,
.release=my_release,
}

2.4内核结构的初始化：

structfile_operationsmy_fops={
owner:THIS_MODULE,
llseek:my_llseek,
...
}

b.file结构

file是一个内核结构体，实际上和用户open文件后返回的文件描述符fd对应。

file结构代表一个打开的文件，系统中每个打开的文件在内核空间都有一个对应的file结构。

它由内核在open时创建，并传递给在该文件上进行操作的所有函数，直到最后的close函数，在文件的所有实例都被关闭后，内核会释放这个结构。

用户空间进程fork一个新进程后，新老进程会共享打开的文件描述符fd，这个操作不会在内核空间创建新的file结构，只会增加已创建file结构的计数。

见

mode_tf_mode; 通过FMODE_READ和FMODE_WRITE标示文件是否可读或可写。

loff_tf_pos; 当前的读写位置，loff_t为64位

unsignedintf_flags; 文件标志，如O_RDONLY,O_NONBLOCK,O_SYNC。标志都定义在

structfile_operations*f_op; 与文件相关的操作。内核在执行open时对这个指针赋值。可以在驱动的open方法中根据次设备号赋予不同的f_op

void*private; 通常将表示硬件设备的结构体赋给private.

structdentry*f_dentry; 文件对应的目录项(dentry)结构。可通过filp->f_dentry->d_inode访问索引节点。

file中其他的内容和驱动关系不大。

c.inode结构

内核用inode结构表示一个实际的文件，可以是一个普通的文件，也可以是一个设备文件。

每个文件只有一个inode结构，而和文件描述符对应的file结构可以有多个(多次进行open调用)。这些file都指向同一个inode。

inode定义在

dev_ti_rdev; 对于表示设备文件的inode结构，i_rdev里包含了真正的设备编号

structcdev*i_cdev cdev是表示字符设备的内核的内部结构。当inode表示一个字符设备时，i_cdev指向内核中的structcdev.

其他结构和设备驱动关系不大。

用如下宏从inode获取设备号：

unsignedintiminor(structinode*inode)
unsignedintimajor(structinode*inode)

(4)字符设备的注册

内核内部使用structcdev结构来表示一个字符设备。

我们的驱动要把自己的cdev注册到内核中去。见

a.通常在设备的结构中加入cdev

structscull_dev{
...
structcdevcdev;/*字符设备结构*/
}

b.初始化

voidcdev_init(structcdev*cdev,structfile_operations*fops)

c.设定cdev中的内容

dev->cdev.owner=THIS_MODULE;
dev->cdev.ops=&scull_fops;

d.向内核添加设定好的cdev

intcdev_add(structcdev*dev,dev_tnum,unsignedintcount);
//num:设备对应的第一个编号
//count:和设备关联的设备编号的数量，常取1
//一旦cdev_add返回，内核就认为设备可以使用了，所以要在调用之前完成设备的硬件初始化。

(5)老式的注册函数

2.4中的老式注册函数仍然在驱动函数中大量存在，但新的代码不应该使用这些代码。

intregister_chrdev(unsignedintmajor,
constchar*name,
structfile_operations*fops);
//为给定的主设备号注册0~255作为次设备号，并为每个设备建立一个对应的默认cdev结构

注销：

intunregister_chrdev(unsignedintmajor,
constchar*name);

(6)open和release

a.open

在驱动的open方法中完成设备的初始化工作，open完成后，硬件就可以使用，用户程序可以通过write等访问设备，open的工作有：

*检查设备的特定错误
*如果设备首次打开，则对其进行初始化(有可能多次调用open)
*如有必要，更新f_op指针
*分配并填写置于filp->private_data中的数据

open原型；

int(*open)(structinode*inode,structfile*filp);
//在open中通过inode获得dev指针，并将其赋给file->private_data
//structscull_dev*dev;
//dev=contain_of(inode->i_cdev,structscull_dev,cdev);
//filp->private_data=dev;
//(如果dev是静态分配的，则在open或write等方法中可以直接访问dev，但如果dev是在module_init时动态分配的，则只能通过上面的方法获得其指针)

b.release

并不是每个close调用都会引起对release方法的调用，只有当file的计数器归零时，才会调用release，从而释放dev结构)

(7)read和write

read和write的工作是从用户空间拷贝数据到内核，或是将内核数据拷贝到用户空间。其原型为：

ssize_tread(structfile*filp,char__user*buff,size_tcount,loff_t*offp);
ssize_twrite(structfile*filp,constchar__user*buff,size_tcount,loff_t*offp);
//buff:用户空间的缓冲区指针
//offp:用户在文件中进行存取操作的位置
//在read和write中，拷贝完数据后，应该更新offp，并将实际完成的拷贝字节数返回。

(8)和用户空间交换数据

read和write中的__user*buff是用户空间的指针，内核不能直接引用其中的内容(也就是不能直接对buff进行取值操作)，需要通过内核提供的函数进行数据拷贝。其原因是：

a.在不同架构下，在内核模式中运行时，用户空间的指针可能是无效的。
b.用户空间的内存是分页的，系统调用执行时，buff指向的内存可能根本不在RAM中(被交换到磁盘中了)
c.这可能是个无效或者恶意指针(比如指向内核空间)

内核和用户空间交换数据的函数见

如：

1.unsignedlongcopy_to_user(
void__user*to,
constvoid*from,
unsignedlongcount);
//向用户空间拷贝数据

2.unsignedlongcopy_from_user(
void*to,
constvoid__user*from,
unsignedlongcount);
//从用户空间获得数据

3.intput_user(datum,ptr)
//向用户空间拷贝数据。字节数由sizeof(*ptr)决定
//返回值为0成功，为负错误。

4.intget_user(local,ptr);
//从用户空间获得数据。字节数由sizeof(*ptr)决定
//返回值和local都是从用户空间获得的数据

任何访问用户空间的函数都必须是可睡眠的，这些函数需要可重入。

copy_to_user等函数如果返回值不等于0，则read或write应向用户空间返回-EFAULT

主设备号用来表示设备驱动，次设备号表示使用该驱动的设备

在内核dev_t表示设备号，设备号由主设备号和次设备号组成

#include
#defineMAJOR(dev)((unsignedint)((dev)>>MINORBITS))//根据设备号获取主设备号
#defineMINOR(dev)((unsignedint)((dev)&MINORMASK))//获取次设备号
#defineMKDEV(ma,mi)(((ma)<
//静态：申请指定的设备号,from指设备号,count指使用该驱动有多少个设备(次设备号),设备名
intregister_chrdev_region(dev_tfrom,unsignedcount,constchar*name);
//name的长度不能超过64字节
//动态申请设备号,由内核分配没有使用的主设备号,分配好的设备存在dev,baseminor指次设备号从多少开始,count指设备数，name设备名
intalloc_chrdev_region(dev_t*dev,unsignedbaseminor,unsignedcount,
constchar*name)
//释放设备号,from指设备号，count指设备数
voidunregister_chrdev_region(dev_tfrom,unsignedcount)
//cat/proc/devices可查看设备使用情况
在内核源码的documentations/devices.txt可查看设备号的静态分配情况
///内核里使用structcdev来描述一个字符设备驱动
#include
structcdev{
structkobjectkobj;//内核用于管理字符设备驱动
structmodule*owner;//通常设为THIS_MODULE,用于防止驱动在使用中时卸载驱动模块
conststructfile_operations*ops;//怎样操作(vfs)
structlist_headlist;//因多个设备可以使用同一个驱动，用链表来记录
dev_tdev;//设备号
unsignedintcount;//设备数
};

////////字符设备驱动//////////

1.申请设备号

2.定义一个cdev的设备驱动对象

structcdevmycdev;
//定义一个file_operations的文件操作对象
structfile_operationsfops={
.owner=THIS_MODULE,
.read=读函数
....
};

3.把fops对象与mycdev关联起来

cdev_init(&mycdev,&fops);//mycdev.ops=&fops;
mycdev.owner=THIS_MODULE;

4.把设备驱动加入内核里,并指定该驱动对应的设备号

cdev_add(&mycdev,设备号,次设备号的个数);

5.卸载模块时，要把设备驱动从内核里移除,并把设备号反注册

cdev_del(&mycdev);
///////////创建设备文件
mknod/dev/设备文件名c主设备号次设备号
////////inode节点对象描述一个文件/设备文件,包括权限，设备号等信息
structinode{
...
dev_ti_rdev;//设备文件对应的设备号
structcdev*i_cdev;//指向对应的设备驱动对象的地址
...
};
////file对象描述文件描述符,在文件打开时创建,关闭时销毁
structfile{
...
conststructfile_operations*f_op;//对应的文件操作对象的地址
unsignedintf_flags;//文件打开的标志
fmode_tf_mode;//权限
loff_tf_pos;//文件描述符的偏移
structfown_structf_owner;//属于哪个进程
unsignedintf_uid,f_gid;
void*private_data;//给驱动程序员使用
...
};

通file里的成员f_path.dentry->d_inode->i_rdev可以获取到设备文件的设备号

///错误码在////

/////////structfile_operations////

inode表示应用程序打开的文件的节点对象, file表示打开文件获取到的文件描述符

成功返回0,失败返回错误码

int(*open)(structinode*,structfile*);

buf指向用户进程里的缓冲区,len表示buf的大小(由用户调用read时传进来的)

off表示fl文件描述符的操作偏移,返回值为实际给用户的数据字节数.

ssize_t(*read)(structfile*fl,char__user*buf,size_tlen,loff_t*off);

用户进程把数据给驱动

ssize_t(*write)(structfile*,constchar__user*,size_t,loff_t*);

to指用户进程的缓冲区,from指驱动里装数据的缓冲区,n多少字节,返回值是0

externinlinelongcopy_to_user(void__user*to,constvoid*from,longn)

to指驱动的... from用户... n多少字节,....

staticinlineunsignedlong__must_checkcopy_to_user(void__user*to,const
void*from,unsignedlongn)
{
if(access_ok(VERIFY_WRITE,to,n))
n=__copy_to_user(to,from,n);
returnn;//返回值为剩下多少字节没拷贝
}

externinlinelongcopy_from_user(void*to,constvoid__user*from,longn)

如果与用户进程交互的数据是1,2,4,8字节的话，可用put_user(x,p)//x为值，p为地址
如果从用户进程获取1,2,4字节的话，可用get_user(x,p)

///////////
///动态申请内存,并清零.size为申请多大(不要超过128K),
//flags为标志(常为GFP_KERNEL).成功返回地址，失败返回NULL
//GFP_ATOMIC,使用系统的内存紧急池
void*kmalloc(size_tsize,gfp_tflags);//申请后要内存要清零
void*kzalloc(size_tsize,gfp_tflags);//申请出来的内存已清零
voidkfree(constvoid*objp);//回收kmalloc/kzalloc的内存
void*vmalloc(unsignedlongsize);//申请大内存空间
voidvfree(constvoid*addr);//回收vmalloc的内存
//kmalloc申请出来的内存是物理地址连续的,vmalloc不一定是连续的
/////container_of(ptr,type,member)type包括member成员的结构体,
//ptr是type类型结构体的member成员的地址.
//此宏根据结构体成员的地址获取结构体变量的首地址
#definecontainer_of(ptr,type,member)({\
consttypeof(((type*)0)->member)*__mptr=(ptr);\
(type*)((char*)__mptr-offsetof(type,member));})
#defineoffsetof(TYPE,MEMBER)((size_t)&((TYPE*)0)->MEMBER)
15typedefstructled_dev_t{
16dev_tmydevid;
17unsignedint*rLEDCON;
18unsignedint*rLEDDAT;
19structcdevmycdev;
20}LED_DEV;
LED_DEVmyled;
//ind->i_cdev是指向myled.mycdev成员的地址
//结构体变量myled首地址可由container_of(ind->i_cdev,LED_DEV,mycdev)获取;

///////自动创建设备文件////

#include

structclass*cl;
cl=class_create(owner,name);//owner指属于哪个模块,name类名
//创建出来后可以查看/sys/class/类名
voidclass_destroy(structclass*cls);//用于销毁创建出来的类

2.创建设备文件

structdevice*device_create(structclass*cls,structdevice*parent,
dev_tdevt,void*drvdata,
constchar*fmt,...)
__attribute__((format(printf,5,6)));
device_create(所属的类,NULL,设备号,NULL,"mydev%d",88);//在/dev/目录下产生名字为mydev88的设备文件
voiddevice_destroy(structclass*cls,dev_tdevt);//用于销毁创建出来的设备文件
////////
intregister_chrdev(unsignedintmajor,constchar*name,
conststructfile_operations*fops);//注册设备号并创建驱动对象
voidunregister_chrdev(unsignedintmajor,constchar*name);//反注册设备号并删除驱动对象
staticinlineintregister_chrdev(unsignedintmajor,constchar*name,
conststructfile_operations*fops)
{
return__register_chrdev(major,0,256,name,fops);
}
int__register_chrdev(unsignedintmajor,unsignedintbaseminor,
unsignedintcount,constchar*name,
conststructfile_operations*fops)
{
structchar_device_struct*cd;
structcdev*cdev;
interr=-ENOMEM;
cd=__register_chrdev_region(major,baseminor,count,name);
if(IS_ERR(cd))
returnPTR_ERR(cd);
cdev=cdev_alloc();
if(!cdev)
gotoout2;
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)
gotoout;
cd->cdev=cdev;
returnmajor?0:cd->major;
out:
kobject_put(&cdev->kobj);
out2:
kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major,baseminor,count));
returnerr;
}

总结

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，谢谢大家对毛票票的支持。如果你想了解更多相关内容请查看下面相关链接

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