字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架

1、Linux中設(shè)備分類：按照對(duì)設(shè)備的訪問(wèn)方式可分為以下三類：1. 字符設(shè)備(char device)(1) 例如：鍵盤、鼠標(biāo)、串口、幀緩存等；(2) 通過(guò)/dev/下的設(shè)備節(jié)點(diǎn)訪問(wèn)；以字節(jié)為單位訪問(wèn)；(3) 一般只支持順序訪問(wèn)；(特例：幀緩存framebuffer)(4) 無(wú)緩沖。2. 塊設(shè)備(block device)(1) 例如：磁盤、光驅(qū)、flash等；(2) 以固定大小為單位訪問(wèn)：磁盤以扇區(qū)(512B)為單位；flash以頁(yè)為單位。(3) 支持隨機(jī)訪問(wèn)；(4) 有緩沖(減少磁盤IO，提高效率)。3. 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(network device)(1) 無(wú)設(shè)備文件(節(jié)點(diǎn))；(2) 應(yīng)用層通過(guò)s

2、ocket接口訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(報(bào)文發(fā)送和接收的媒介)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)在內(nèi)核中的結(jié)構(gòu)：1. VFS虛擬文件系統(tǒng)作用：向應(yīng)用層提供一致的文件訪問(wèn)接口，正是由于VFS的存在，才可以將設(shè)備以文件的方式訪問(wèn)。2. 虛擬文件系統(tǒng)，存在于內(nèi)存中，不在磁盤上，掉電丟失。例如：/proc、/sys、/tmp。設(shè)備號(hào)：1. 作用：唯一地標(biāo)識(shí)一個(gè)設(shè)備；2. 類型：dev_t devno;即32位無(wú)符號(hào)整型；3. 組成：31 主設(shè)備號(hào)major 2019 次設(shè)備號(hào)minor 0(1) 主設(shè)備號(hào)：用于區(qū)分不同類型(按功能劃分)的設(shè)備；(2) 此設(shè)備號(hào)：用于區(qū)分相同類型的不同設(shè)備。注意：相同類型的設(shè)備(主設(shè)備號(hào)相同)可以使用同一

3、個(gè)驅(qū)動(dòng)。4. 構(gòu)建設(shè)備號(hào)：int major = 250; int minor = 0;(1) dev_t devno = (major << 20) | minor;不建議使用；(2) 利用宏來(lái)構(gòu)建：dev_t devno = MKDEV (major, minor);注意：我們可以通過(guò)文件$(srctree)/documentation/device.txt來(lái)查看內(nèi)核對(duì)設(shè)備號(hào)的分配情況。(1) 該文本中的有對(duì)應(yīng)設(shè)備文件的設(shè)備號(hào)是已經(jīng)被申請(qǐng)過(guò)的，我們不可以重復(fù)使用(申請(qǐng))；(2) 從中可以看出，我們?cè)诰帉戲?qū)動(dòng)程序時(shí)可以使用的主設(shè)備號(hào)范圍為240254，為了方便記憶，通常使用250

4、作為主設(shè)備號(hào)。字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架：驅(qū)動(dòng)：作用，為應(yīng)用層提供訪問(wèn)設(shè)備的接口(對(duì)設(shè)備發(fā)的各種操作)。一、 申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)1. 構(gòu)建設(shè)備號(hào)：dev_t devno = MKDEV (major, minor);2. 申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)：(1) 動(dòng)態(tài)申請(qǐng)：alloc_chrdev_region；(2) 靜態(tài)申請(qǐng)： register_chrdev_region。(3) 靜態(tài)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：可以提前創(chuàng)建設(shè)備文件；缺點(diǎn)：有可能會(huì)發(fā)成沖突，導(dǎo)致申請(qǐng)失敗。(4) register_chrdev_region函數(shù)詳解：注意： 最后一個(gè)參數(shù)是設(shè)備名稱。且在/proc/devices下會(huì)有關(guān)于當(dāng)前系統(tǒng)已經(jīng)注冊(cè)成功的設(shè)備信

5、息； 申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)應(yīng)在加載函數(shù)中實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，在卸載函數(shù)中我們也要調(diào)用unregister_chrdev_region來(lái)釋放設(shè)備號(hào)。二、 實(shí)現(xiàn)操作集合struct file_operations struct file_operations struct module *owner;loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);ssize_t (*read) (struct file *, char _user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*write) (struct file *,const char _user *

6、,size_t,loff_t *);unsigned int (*poll) (struct fiel *, poll_table *);int (*fasync) (int, struct file *, int);long (*unlock_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);int (*open) (struct inode *, struct file *);int (*release) (struct inode

7、 *, struct file *);int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);除owner成員外，其他成員均是對(duì)文件進(jìn)行相關(guān)操作的函數(shù)指針。1. 對(duì)設(shè)備的大多數(shù)操作函數(shù)都有參數(shù)struct file *filp；2. 在起始階段我們可以先定義一個(gè)空的操作集合：struct file_operations .owner = THIS_MODULE ;注意：(1) 可以看出宏THIS_MODULE代表結(jié)構(gòu)體struct module的起始地址；(

8、2) 我們可以通過(guò)“.<struct_member_name> = <>,”語(yǔ)法來(lái)給結(jié)構(gòu)體指定成員賦值。三、 注冊(cè)字符設(shè)備：1. 通過(guò)結(jié)構(gòu)體struct cdev將設(shè)備號(hào)devno和操作集合file_operations關(guān)聯(lián)起來(lái)；2. 并將cdev結(jié)構(gòu)體加入到內(nèi)核維護(hù)的cdev鏈表中。(計(jì)算機(jī)系統(tǒng)支持很多字符設(shè)備，內(nèi)核會(huì)維護(hù)一個(gè)cdev鏈表，這樣我們就可以通過(guò)設(shè)備號(hào)找到對(duì)應(yīng)的操作集合了)3. cdev結(jié)構(gòu)體的定義如下：4. 我們通過(guò)調(diào)用內(nèi)核函數(shù)cdev_init和cdev_add來(lái)完成字符設(shè)備的注冊(cè)。注意：注冊(cè)字符設(shè)備應(yīng)在加載函數(shù)中實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，在卸載函數(shù)中，我們要調(diào)用c

9、dev_del函數(shù)來(lái)注銷字符設(shè)備。且注銷字符設(shè)備應(yīng)在釋放設(shè)備號(hào)之前進(jìn)行。應(yīng)用層如何訪問(wèn)設(shè)備：1. 在Linux中一切皆文件；2. 因?yàn)閂FS(向應(yīng)用層提供一致的文件訪問(wèn)接口)，應(yīng)用層也可以將設(shè)備當(dāng)做文件來(lái)訪問(wèn)；3. 應(yīng)用層要想訪問(wèn)設(shè)備，首先要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)：命令：mknod <device_name> c/b <major> <minor>注意：(1) mknod /dev/hello c 250 0(2) mknod /dev/hello c 250 1 錯(cuò)誤；(3) mknod /dev/hello1 c 250 0 正確，即可以有多個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)指向同一個(gè)設(shè)

10、備。操作集合打開(kāi)open：1. 統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，檢查錯(cuò)誤；(一個(gè)設(shè)備可以被多個(gè)進(jìn)程打開(kāi))2. 申請(qǐng)資源：(1) 在xxx_open()函數(shù)中也可以申請(qǐng)資源；(2) 若在open中申請(qǐng)資源，則對(duì)應(yīng)要在release中釋放資源；(3) 若在加載函數(shù)中申請(qǐng)資源，則對(duì)應(yīng)要在卸載函數(shù)中釋放資源。3. 識(shí)別次設(shè)備號(hào)。(在一個(gè)驅(qū)動(dòng)識(shí)別多個(gè)設(shè)備中有應(yīng)用)4. 在應(yīng)用層調(diào)用open函數(shù)打開(kāi)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)過(guò)程：(1) int fd = open (“/dev/hello”, O_RDWR);(2) sys_open();系統(tǒng)調(diào)用(3) vfs_open();虛擬文件系統(tǒng)提供的操作接口注意：在vfs_open()函數(shù)執(zhí)行時(shí)，

11、會(huì)在內(nèi)存中創(chuàng)建兩個(gè)結(jié)構(gòu)體： struct inode dev_t i_rdev; struct cdev *i_cdev;記錄所打開(kāi)文件的靜態(tài)信息；是將磁盤上的inode節(jié)點(diǎn)信息讀過(guò)來(lái)的。 struct file struct file *f_op;記錄所打開(kāi)文件的動(dòng)態(tài)信息：包括打開(kāi)方式、當(dāng)前讀寫位置、用戶信息等。(4) xxx_open(struct inode *, struct file *);注意： 應(yīng)用層的文件描述符fd與內(nèi)核中的struct file結(jié)構(gòu)體是一一對(duì)應(yīng)的，即每打開(kāi)一個(gè)設(shè)備文件，就會(huì)在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)struct file類型的結(jié)構(gòu)體變量。每個(gè)進(jìn)程都維護(hù)有一個(gè)文件描述符表

12、：fd與struct file的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 與xxx_open()函數(shù)相對(duì)應(yīng)的是xxx_release()函數(shù)。(1) file結(jié)構(gòu)體：(文件的靜態(tài)屬性)struct fileconst struct file_operations *f_op;/操作集合結(jié)構(gòu)體指針unsigned int f_flags;/文件打開(kāi)方式：如O_NONBLOCKloff_t f_ops;/當(dāng)前讀寫位置void *private_data;/文件私有數(shù)據(jù)，通常用來(lái)存放設(shè)備結(jié)構(gòu)體的地址;應(yīng)用： 在多個(gè)同類型的設(shè)備共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)：為了在驅(qū)動(dòng)中識(shí)別不同的設(shè)備，可以將設(shè)備結(jié)構(gòu)體的地址保存到file結(jié)構(gòu)體的私有成員中；

13、 利用file結(jié)構(gòu)體的f_flags成員，判斷進(jìn)程是以阻塞還是非阻塞方式訪問(wèn)文件。(2) inode結(jié)構(gòu)體：(文件的動(dòng)態(tài)信息)struct inodeumode_t i_mode;/inode的權(quán)限uid_t i_uid;/inode擁有者的idgid_t i_gid;/inode所屬的組iddev_t i_rdev;/設(shè)備號(hào)struct timespec i_atime;/inode最近一次的存取時(shí)間struct timespec i_mtime;/inode最近一次的修改時(shí)間struct timespec i_ctime;/inode的產(chǎn)生時(shí)間union /若是塊設(shè)備，為其對(duì)應(yīng)的block

14、_device結(jié)構(gòu)體指針struct block_device *i_bdev;struct cdev *i_cdev;/若是字符設(shè)備，為其對(duì)應(yīng)的cdev結(jié)構(gòu)體指針;讀read：相應(yīng)地，read()->sys_read()->vfs_read()->xxx_read()->copy_to_user。APP：ssize_t read (int fd, void *buf, size_t count);driver：ssize_t xxx_read (struct file *,char _user *,size_t,loff_t *);讀(寫)操作在內(nèi)核空間和用戶空間會(huì)發(fā)

15、生數(shù)據(jù)交互。在xxx_read(xxx_write)函數(shù)中我們通過(guò)調(diào)用內(nèi)核函數(shù)：copy_to_user(cpy_from_user)將數(shù)據(jù)返回給用戶buffer(將用戶數(shù)據(jù)讀到本地buffer)。1. read()函數(shù)：(1) 成功：返回實(shí)際讀到的字節(jié)數(shù)；(2) 失?。悍祷?1并設(shè)置errno(非負(fù))。注意：errno就是通過(guò)將xxx_read()函數(shù)的失敗返回值取絕對(duì)值得到的。2. xxx_read()函數(shù)：(1) 成功：返回實(shí)際讀到的字節(jié)數(shù)；(2) 失敗：返回負(fù)的錯(cuò)誤碼-EFAULT。3. copy_to_user()函數(shù)：(1) 成功：返回0；(2) 失?。悍祷厥Ｓ鄾](méi)有拷貝成功的字節(jié)數(shù)

16、。注意：(1) copy_to_user和copy_from_user在執(zhí)行時(shí)進(jìn)程有可能會(huì)阻塞(sleep)，所以不能用于中斷處理；(2) copy_from_user()：成功返回0；失敗返回剩余沒(méi)有寫成功的字節(jié)數(shù)。(3) 二者包含在頭文件<asm/uaccess.h>中。實(shí)例：mmap操作：一些設(shè)備，諸如：video/audio/framebuffer，在用戶空間和內(nèi)核空間之間會(huì)有很多的數(shù)據(jù)交互，使用copy_to_user/copy_from_user，要在用戶空間和內(nèi)核空間進(jìn)行不斷地切換，開(kāi)銷太大。我們可以利用mmap操作，作用：將設(shè)備內(nèi)存映射到用戶空間訪問(wèn)，減小開(kāi)銷。(類

17、似于進(jìn)程間通信的共享內(nèi)存機(jī)制)ioctl操作：對(duì)設(shè)備的訪問(wèn)控制，如果都用讀寫操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，未免開(kāi)銷太大；例如，控制LED燈的亮滅，我們完全可以利用ioctl函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。APP：int ioctl (int d, int request, . . .);driver：long (*unlock_ioctl) (struct file *,unsigned int,unsigned long);注意：在2.6.35內(nèi)核之前，應(yīng)用層ioctl函數(shù)驅(qū)動(dòng)中的ioctl函數(shù)指針；在2.6.35內(nèi)核之后，則對(duì)應(yīng)unlock_ioctl函數(shù)指針。ioctl操作是通過(guò)命令字來(lái)控制底層設(shè)備的，命令字的組成如下：8b

18、it:type類型8bit:nr編號(hào)2bit:dir數(shù)據(jù)方向14bit:size數(shù)據(jù)尺寸用2bit來(lái)表示數(shù)據(jù)傳輸方向，有4種情況：無(wú)數(shù)據(jù)傳輸、用戶->內(nèi)核、內(nèi)核->用戶、雙向傳輸。通常，我們利用ioctl操作來(lái)控制設(shè)備，不涉及數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)核通過(guò)四個(gè)宏用來(lái)定義命令字，且命令字要在驅(qū)動(dòng)中和應(yīng)用程序中約定好：_IO/_IOR/_IOW/_IORW。實(shí)例：利用ioctl對(duì)串口波特率進(jìn)行讀寫：(1) 獲取波特率：int baudrate; ioctl(fd, GET_BAUD,(unsigned long)&baudrate); 為了保存波特率，我們需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換。(2) 設(shè)置波特率：ioctl(fd, SET_BAUD, 115200);注意：(1) 處于安全考慮，在用戶操作設(shè)備時(shí)，需要判斷進(jìn)程是否具有管理員的權(quán)限；(2) 我們可以調(diào)用內(nèi)核capable()函數(shù)來(lái)判斷進(jìn)程的權(quán)限：返回值為0，無(wú)權(quán)限；返回值為1，有權(quán)限。驅(qū)動(dòng)程序的調(diào)試：1. /printk注釋2. #ifde