/******************** * 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng) ********************/
(1)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)介紹
字符設(shè)備是指那些按字節(jié)流訪問的設(shè)備，針對字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)稱為字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
此類驅(qū)動(dòng)適合于大多數(shù)簡單的硬件設(shè)備。比如并口打印機(jī)，我們通過在/dev下建立一個(gè)設(shè)備文件(如/dev/printer)來訪問它。
用戶應(yīng)用程序用標(biāo)準(zhǔn)的open函數(shù)打開dev/printer，然后用write向文件中寫入數(shù)據(jù)，用read從里面讀數(shù)據(jù)。
調(diào)用流程：
所謂驅(qū)動(dòng)，就是提供最后的write函數(shù)，通過訪問打印機(jī)硬件的寄存器直接和打印機(jī)對話
(2)主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)
a.設(shè)備編號(hào)介紹
對字符設(shè)備的訪問是通過文件系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備文件進(jìn)行的。這些文件位于/dev。用"ls -l"查看。
設(shè)備通過設(shè)備號(hào)來標(biāo)識(shí)。設(shè)備號(hào)分兩部分，主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)。
通常，主設(shè)備號(hào)標(biāo)示設(shè)備對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，linux允許多個(gè)驅(qū)動(dòng)共用一個(gè)主設(shè)備號(hào)；
而次設(shè)備號(hào)用于確定設(shè)備文件所指的設(shè)備。
在內(nèi)核中，用dev_t類型<linux/types.h>保存設(shè)備編號(hào)。
2.4內(nèi)核中采用16位設(shè)備號(hào)(8位主，8位從)，而2.6采用32位，12位主，20位從。
在驅(qū)動(dòng)中訪問設(shè)備號(hào)應(yīng)該用<linux/kdev_t.h>中定義的宏。
獲取設(shè)備號(hào)：
b.分配和釋放設(shè)備編號(hào)
在建立一個(gè)字符設(shè)備前，驅(qū)動(dòng)需要先獲得設(shè)備編號(hào)。
分配：
#include <linux/fs.h>int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);//first:要分配的設(shè)備編號(hào)范圍的起始值(次設(shè)備號(hào)常設(shè)為0)//count: 所請求的連續(xù)編號(hào)范圍//name: 和編號(hào)關(guān)聯(lián)的設(shè)備名稱(見/proc/devices)
也可以要求內(nèi)核動(dòng)態(tài)分配：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);//firstminor: 通常為0//*dev: 存放內(nèi)核返回的設(shè)備號(hào)
釋放:
void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);//在模塊的清除函數(shù)中調(diào)用
在Documentation/devices.txt中可以找到內(nèi)核已經(jīng)分配的設(shè)備號(hào)。
c.建立設(shè)備文件
當(dāng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊向系統(tǒng)申請了主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)，并且已經(jīng)通過insmod加載到內(nèi)核中后，我們就可以通過在/dev下創(chuàng)建設(shè)備文件來訪問這個(gè)設(shè)備了。
字符設(shè)備的創(chuàng)建：$>mknod /dev/mychar c major minor
我們在驅(qū)動(dòng)中常常采用動(dòng)態(tài)分配主次設(shè)備號(hào)的方法，這樣不會(huì)和系統(tǒng)中已有的設(shè)備號(hào)沖突。
動(dòng)態(tài)分配時(shí)，/dev下的設(shè)備文件也需要通過分析/proc/devices動(dòng)態(tài)建立。
見char_load和char_unload腳本。
(3)字符設(shè)備的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
和字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)關(guān)系最緊密的3個(gè)基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是：file, file_oepeations和inode
a.file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
結(jié)構(gòu)中包含了若干函數(shù)指針。這些函數(shù)就是實(shí)際和硬件打交道的函數(shù)。
用戶空間調(diào)用的open，write等函數(shù)最終會(huì)調(diào)用這里面的指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)。每個(gè)打開的文件和一組函數(shù)關(guān)聯(lián)。
見<linux/fs.h>和驅(qū)動(dòng)書的p54
2.6內(nèi)核結(jié)構(gòu)的初始化：
struct file_operations my_fops = {.owner = THIS_MODULE,.llseek = my_llseek,.read = my_read,.write = my_write,.ioctl = my_ioctl,.open = my_open,.release = my_release,}2.4內(nèi)核結(jié)構(gòu)的初始化：
struct file_operations my_fops = {owner: THIS_MODULE,llseek: my_llseek,...}b.file結(jié)構(gòu)<linux/fs.h>
file是一個(gè)內(nèi)核結(jié)構(gòu)體，實(shí)際上和用戶open文件后返回的文件描述符fd對應(yīng)。
file結(jié)構(gòu)代表一個(gè)打開的文件，系統(tǒng)中每個(gè)打開的文件在內(nèi)核空間都有一個(gè)對應(yīng)的file結(jié)構(gòu)。
它由內(nèi)核在open時(shí)創(chuàng)建，并傳遞給在該文件上進(jìn)行操作的所有函數(shù)，直到最后的close函數(shù)，在文件的所有實(shí)例都被關(guān)閉后，內(nèi)核會(huì)釋放這個(gè)結(jié)構(gòu)。
用戶空間進(jìn)程fork一個(gè)新進(jìn)程后，新老進(jìn)程會(huì)共享打開的文件描述符fd，這個(gè)操作不會(huì)在內(nèi)核空間創(chuàng)建新的file結(jié)構(gòu)，只會(huì)增加已創(chuàng)建file結(jié)構(gòu)的計(jì)數(shù)。
見<linux/fs.h>
mode_t f_mode; 通過FMODE_READ和FMODE_WRITE標(biāo)示文件是否可讀或可寫。
loff_t f_pos; 當(dāng)前的讀寫位置，loff_t為64位
unsigned int f_flags; 文件標(biāo)志，如O_RDONLY, O_NONBLOCK, O_SYNC。標(biāo)志都定義在<linux/fcntl.h>
struct file_operations *f_op; 與文件相關(guān)的操作。內(nèi)核在執(zhí)行open時(shí)對這個(gè)指針賦值?？梢栽隍?qū)動(dòng)的open方法中根據(jù)次設(shè)備號(hào)賦予不同的f_op
void *private; 通常將表示硬件設(shè)備的結(jié)構(gòu)體賦給private.
struct dentry *f_dentry; 文件對應(yīng)的目錄項(xiàng)(dentry)結(jié)構(gòu)。可通過filp->f_dentry->d_inode訪問索引節(jié)點(diǎn)。
file中其他的內(nèi)容和驅(qū)動(dòng)關(guān)系不大。
c.inode結(jié)構(gòu)
內(nèi)核用inode結(jié)構(gòu)表示一個(gè)實(shí)際的文件，可以是一個(gè)普通的文件，也可以是一個(gè)設(shè)備文件。
每個(gè)文件只有一個(gè)inode結(jié)構(gòu)，而和文件描述符對應(yīng)的file結(jié)構(gòu)可以有多個(gè)(多次進(jìn)行open調(diào)用)。這些file都指向同一個(gè)inode。
inode定義在<linux/fs.h>
dev_t i_rdev; 對于表示設(shè)備文件的inode結(jié)構(gòu)，i_rdev里包含了真正的設(shè)備編號(hào)
struct cdev *i_cdev cdev是表示字符設(shè)備的內(nèi)核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)inode表示一個(gè)字符設(shè)備時(shí)，i_cdev指向內(nèi)核中的struct cdev.
其他結(jié)構(gòu)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)關(guān)系不大。
用如下宏從inode獲取設(shè)備號(hào)：
(4)字符設(shè)備的注冊
內(nèi)核內(nèi)部使用struct cdev結(jié)構(gòu)來表示一個(gè)字符設(shè)備。
我們的驅(qū)動(dòng)要把自己的cdev注冊到內(nèi)核中去。見 <linux/cdev.h>
a.通常在設(shè)備的結(jié)構(gòu)中加入cdev
struct scull_dev{...struct cdev cdev; /* 字符設(shè)備結(jié)構(gòu) */}b.初始化
void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops)
c.設(shè)定cdev中的內(nèi)容
d.向內(nèi)核添加設(shè)定好的cdev
int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count);//num: 設(shè)備對應(yīng)的第一個(gè)編號(hào)//count: 和設(shè)備關(guān)聯(lián)的設(shè)備編號(hào)的數(shù)量，常取1//一旦cdev_add返回，內(nèi)核就認(rèn)為設(shè)備可以使用了，所以要在調(diào)用之前完成設(shè)備的硬件初始化。
(5)老式的注冊函數(shù)
2.4中的老式注冊函數(shù)仍然在驅(qū)動(dòng)函數(shù)中大量存在，但新的代碼不應(yīng)該使用這些代碼。
注冊：
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops);//為給定的主設(shè)備號(hào)注冊0~255作為次設(shè)備號(hào)，并為每個(gè)設(shè)備建立一個(gè)對應(yīng)的默認(rèn)cdev結(jié)構(gòu)
注銷：
int unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);
(6)open和release
a.open
在驅(qū)動(dòng)的open方法中完成設(shè)備的初始化工作，open完成后，硬件就可以使用，用戶程序可以通過write等訪問設(shè)備，open的工作有：
open原型；
int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp);//在open中通過inode獲得dev指針，并將其賦給file->private_data//struct scull_dev *dev;//dev = contain_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev);//filp->private_data = dev;//(如果dev是靜態(tài)分配的，則在open或write等方法中可以直接訪問dev，但如果dev是在module_init時(shí)動(dòng)態(tài)分配的，則只能通過上面的方法獲得其指針)
b.release
并不是每個(gè)close調(diào)用都會(huì)引起對release方法的調(diào)用，只有當(dāng)file的計(jì)數(shù)器歸零時(shí)，才會(huì)調(diào)用release，從而釋放dev結(jié)構(gòu))
(7)read和write
read和write的工作是從用戶空間拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)核，或是將內(nèi)核數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間。其原型為：
ssize_t read(struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);ssize_t write(struct file *filp, const char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);//buff: 用戶空間的緩沖區(qū)指針//offp: 用戶在文件中進(jìn)行存取操作的位置//在read和write中，拷貝完數(shù)據(jù)后，應(yīng)該更新offp，并將實(shí)際完成的拷貝字節(jié)數(shù)返回。
(8)和用戶空間交換數(shù)據(jù)
read和write中的__user *buff 是用戶空間的指針，內(nèi)核不能直接引用其中的內(nèi)容(也就是不能直接對buff進(jìn)行取值操作)，需要通過內(nèi)核提供的函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝。其原因是：
內(nèi)核和用戶空間交換數(shù)據(jù)的函數(shù)見<asm/uaccess.h>
如：
1. unsigned long copy_to_user(
void __user *to,
const void *from,
unsigned long count);
//向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)2. unsigned long copy_from_user(
void *to,
const void __user *from,
unsigned long count);
//從用戶空間獲得數(shù)據(jù)3. int put_user(datum, ptr)
//向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)。字節(jié)數(shù)由sizeof(*ptr)決定
//返回值為0成功，為負(fù)錯(cuò)誤。4. int get_user(local, ptr);
//從用戶空間獲得數(shù)據(jù)。字節(jié)數(shù)由sizeof(*ptr)決定
//返回值和local都是從用戶空間獲得的數(shù)據(jù)
任何訪問用戶空間的函數(shù)都必須是可睡眠的，這些函數(shù)需要可重入。
copy_to_user等函數(shù)如果返回值不等于0，則read或write應(yīng)向用戶空間返回-EFAULT
主設(shè)備號(hào)用來表示設(shè)備驅(qū)動(dòng)， 次設(shè)備號(hào)表示使用該驅(qū)動(dòng)的設(shè)備
在內(nèi)核dev_t 表示設(shè)備號(hào)， 設(shè)備號(hào)由主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)組成
#include <linux/kdev_t.h>#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS)) //根據(jù)設(shè)備號(hào)獲取主設(shè)備號(hào)#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK)) //獲取次設(shè)備號(hào)#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi)) //根據(jù)指定的主設(shè)備和次設(shè)備號(hào)生成設(shè)備號(hào)#include <linux/fs.h> //靜態(tài)：申請指定的設(shè)備號(hào), from指設(shè)備號(hào), count指使用該驅(qū)動(dòng)有多少個(gè)設(shè)備(次設(shè)備號(hào)), 設(shè)備名 int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);//name的長度不能超過64字節(jié) //動(dòng)態(tài)申請?jiān)O(shè)備號(hào), 由內(nèi)核分配沒有使用的主設(shè)備號(hào), 分配好的設(shè)備存在dev, baseminor指次設(shè)備號(hào)從多少開始, count指設(shè)備數(shù)， name設(shè)備名 int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name)//釋放設(shè)備號(hào), from指設(shè)備號(hào)， count指設(shè)備數(shù)void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)//cat /proc/devices 可查看設(shè)備使用情況在內(nèi)核源碼的documentations/devices.txt可查看設(shè)備號(hào)的靜態(tài)分配情況///內(nèi)核里使用struct cdev來描述一個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng) #include <linux/cdev.h>struct cdev {struct kobject kobj; //內(nèi)核用于管理字符設(shè)備驅(qū)動(dòng) struct module *owner; //通常設(shè)為THIS_MODULE, 用于防止驅(qū)動(dòng)在使用中時(shí)卸載驅(qū)動(dòng)模塊const struct file_operations *ops; //怎樣操作(vfs)struct list_head list; //因多個(gè)設(shè)備可以使用同一個(gè)驅(qū)動(dòng)， 用鏈表來記錄dev_t dev; //設(shè)備號(hào)unsigned int count; //設(shè)備數(shù)};////////字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)//////////
1. 申請?jiān)O(shè)備號(hào)
2. 定義一個(gè)cdev的設(shè)備驅(qū)動(dòng)對象
struct cdev mycdev; //定義一個(gè)file_operations的文件操作對象struct file_operations fops = {.owner = THIS_MODULE,.read = 讀函數(shù)....};3. 把fops對象與mycdev關(guān)聯(lián)起來
cdev_init(&mycdev, &fops); //mycdev.ops = &fops;mycdev.owner = THIS_MODULE;
4. 把設(shè)備驅(qū)動(dòng)加入內(nèi)核里, 并指定該驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的設(shè)備號(hào)
cdev_add(&mycdev, 設(shè)備號(hào), 次設(shè)備號(hào)的個(gè)數(shù));
5. 卸載模塊時(shí)， 要把設(shè)備驅(qū)動(dòng)從內(nèi)核里移除, 并把設(shè)備號(hào)反注冊
cdev_del(&mycdev);///////////創(chuàng)建設(shè)備文件mknod /dev/設(shè)備文件名 c 主設(shè)備號(hào) 次設(shè)備號(hào)////////inode節(jié)點(diǎn)對象描述一個(gè)文件/設(shè)備文件, 包括權(quán)限，設(shè)備號(hào)等信息struct inode {...dev_t i_rdev; //設(shè)備文件對應(yīng)的設(shè)備號(hào)struct cdev *i_cdev; //指向?qū)?yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)對象的地址...};////file對象描述文件描述符, 在文件打開時(shí)創(chuàng)建, 關(guān)閉時(shí)銷毀struct file {...const struct file_operations *f_op; //對應(yīng)的文件操作對象的地址unsigned int f_flags; //文件打開的標(biāo)志fmode_t f_mode; //權(quán)限loff_t f_pos; //文件描述符的偏移struct fown_struct f_owner; //屬于哪個(gè)進(jìn)程unsigned int f_uid, f_gid; void *private_data; //給驅(qū)動(dòng)程序員使用...};通file里的成員f_path.dentry->d_inode->i_rdev可以獲取到設(shè)備文件的設(shè)備號(hào)
///錯(cuò)誤碼在<asm/errno.h> ////
/////////struct file_operations ////
inode表示應(yīng)用程序打開的文件的節(jié)點(diǎn)對象, file表示打開文件獲取到的文件描述符
成功返回0, 失敗返回錯(cuò)誤碼
int (*open) (struct inode *, struct file *);
buf指向用戶進(jìn)程里的緩沖區(qū), len表示buf的大小(由用戶調(diào)用read時(shí)傳進(jìn)來的)
off表示fl文件描述符的操作偏移, 返回值為實(shí)際給用戶的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù).
ssize_t (*read) (struct file *fl, char __user *buf, size_t len, loff_t *off);
用戶進(jìn)程把數(shù)據(jù)給驅(qū)動(dòng)
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
to指用戶進(jìn)程的緩沖區(qū), from指驅(qū)動(dòng)里裝數(shù)據(jù)的緩沖區(qū), n多少字節(jié), 返回值是0
extern inline long copy_to_user(void __user *to, const void *from, long n)
to指驅(qū)動(dòng)的... from用戶... n多少字節(jié), ....
static inline unsigned long __must_check copy_to_user(void __user *to, constvoid *from, unsigned long n){if (access_ok(VERIFY_WRITE, to, n))n = __copy_to_user(to, from, n);return n; //返回值為剩下多少字節(jié)沒拷貝}extern inline long copy_from_user(void *to, const void __user *from, long n)
//////////////動(dòng)態(tài)申請內(nèi)存, 并清零. size為申請多大(不要超過128K),//flags為標(biāo)志(常為GFP_KERNEL). 成功返回地址， 失敗返回NULL// GFP_ATOMIC, 使用系統(tǒng)的內(nèi)存緊急池void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);//申請后要內(nèi)存要清零void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags); //申請出來的內(nèi)存已清零void kfree(const void *objp); //回收kmalloc/kzalloc的內(nèi)存void *vmalloc(unsigned long size); //申請大內(nèi)存空間void vfree(const void *addr); //回收vmalloc的內(nèi)存// kmalloc申請出來的內(nèi)存是物理地址連續(xù)的, vmalloc不一定是連續(xù)的///// container_of(ptr, type, member) type包括member成員的結(jié)構(gòu)體,//ptr是type類型 結(jié)構(gòu)體的member成員的地址.//此宏根據(jù)結(jié)構(gòu)體成員的地址獲取結(jié)構(gòu)體變量的首地址#define container_of(ptr, type, member) ({ /const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr); /(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER) 15 typedef struct led_dev_t { 16 dev_t mydevid; 17 unsigned int *rLEDCON; 18 unsigned int *rLEDDAT; 19 struct cdev mycdev; 20 }LED_DEV; LED_DEV myled; //ind->i_cdev是指向myled.mycdev成員的地址 //結(jié)構(gòu)體變量myled首地址可由container_of(ind->i_cdev, LED_DEV, mycdev)獲取;/////// 自動(dòng)創(chuàng)建設(shè)備文件 ////
#include <linux/device.h>
1.
struct class *cl; cl = class_create(owner, name) ; //owner指屬于哪個(gè)模塊, name類名//創(chuàng)建出來后可以查看 /sys/class/類名void class_destroy(struct class *cls); //用于銷毀創(chuàng)建出來的類
2. 創(chuàng)建設(shè)備文件
struct device *device_create(struct class *cls, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...) __attribute__((format(printf, 5, 6)));device_create(所屬的類, NULL, 設(shè)備號(hào), NULL, "mydev%d", 88); //在/dev/目錄下產(chǎn)生名字為mydev88的設(shè)備文件void device_destroy(struct class *cls, dev_t devt); //用于銷毀創(chuàng)建出來的設(shè)備文件////////int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops) ; //注冊設(shè)備號(hào)并創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)對象void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name); //反注冊設(shè)備號(hào)并刪除驅(qū)動(dòng)對象static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops){return __register_chrdev(major, 0, 256, name, fops);}int __register_chrdev(unsigned int major, unsigned int baseminor, unsigned int count, const char *name, const struct file_operations *fops){struct char_device_struct *cd;struct cdev *cdev;int err = -ENOMEM;cd = __register_chrdev_region(major, baseminor, count, name);if (IS_ERR(cd))return PTR_ERR(cd);cdev = cdev_alloc();if (!cdev)goto out2;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)goto out;cd->cdev = cdev;return major ? 0 : cd->major;out:kobject_put(&cdev->kobj);out2:kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, baseminor, count));return err;}總結(jié)
以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，謝謝大家對VEVB武林網(wǎng)的支持。
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