Linux內核驅動模塊編寫概覽

如果你對內核驅動模塊一無所知，請先學習內核驅動模塊的基礎知識。如果你已經入門了內核驅動模塊，但是仍感覺有些模糊，不能從整體來了解一個內核驅動模塊的結構，請賞讀一下這篇拙文。如果你已經從事內核模塊編程N年，并且道行高深，也請不吝賜教一下文中的疏漏錯誤。本文中我將實現一個簡單的Linux字符設備，旨在大致勾勒出linux內核模塊的編寫方法的輪廓。其中重點介紹ioctl的用途。我把這個簡單的Linux字符設備模塊命名為hello_mod.設備類型名為hello_class設備名為hello該設備是一個虛擬設備，模塊加載時會在/sys/class/中創(chuàng)建名為hello_class的邏輯設備，在/dev/中創(chuàng)建hello的物理設備文件。模塊名為hello_mod，可接受輸入字符串數據(長度小于128)，處理該輸入字符串之后可向外輸出字符串。并且可以接受ioctl()函數控制內部處理字符串的方式。例如：通過write函數寫入“Tom”，通過ioctl函數設置langtype二Chinese，通過read函數讀出的數據將會是“你好！Tom/n”通過write函數寫入“Tom”，通過ioctl函數設置langtype二english，通過read函數讀出的數據將會是“hello！Tom/n”通過write函數寫入“Tom”，通過ioctl函數設置langtype二pinyin，通過read函數讀出的數據將會是“nihao！Tom/n”一般的內核模塊中不會負責設備類別和節(jié)點的創(chuàng)建，我們在編譯完之后會得到.?；蛘?ko文件，然后insmod之后需要mknod來創(chuàng)建相應文件，這個簡單的例子中我們讓驅動模塊加載時負責自動創(chuàng)建設備類別和設備文件。這個功能有兩個步驟，創(chuàng)建設備類別文件class_create();創(chuàng)建設備文件device_create();關于這兩個函數的使用方法請參閱其他資料。linux設備驅動的編寫相對windows編程來說更容易理解一點因為不需要處理IRP，應用層函數和內核函數的關聯方式淺顯易懂。比如當應曾函數對我的設備調用了open()函數，而最終這個應用層函數會調用我的設備中的自定義open()函數，這個函數要怎么寫呢，我在我的設備中定義的函數名是hello_mod_open,注意函數名是可以隨意定義，但是函數簽名是要符合內核要求的，具體的定義是怎么樣請看<linux/fs.h>staticinthello_mod_open(structinode*,structfile*);這樣就定義了內核中的open函數，這只是定義還需要與我們自己的模塊關聯起來，這就要用到一個結構structfile_operations這個結構里面的成員是對應于設備操作的各種函數的指針。我在設備中用到了這些函數所以就如下定義，注意下面的寫法不是標準ANSIC的語法，而是GNU擴展語法。structfile_operationshello_mod_fops={.owner=THIS_MODULE,.open=hello_mod_open,.read=hello_mod_read,.write=hello_mod_write,.ioctl=hello_mod_ioctl,.release=hello_mod_release,這個結構體變量定義好之后我們在模塊初始化函數中就可以通過register_chrdev()或者填充cdev結構來關聯所有的操作到我們的模塊函數了。和設備交互的數據我們總稱為''數據”，但是大致可劃分為兩種“功能數據”：我們要輸入設備處理的和設備處理完之后輸出的數據?！翱刂茢祿保何覀冇脕砜刂圃O備特性功能的命令和參數。open,read，write，release等函數是對一個驅動模塊的使用，就是我們對“設備的功能”的使用。但是一個設備有可能有很多功能，那么我們要怎么控制設備讓設備完成指定的功能呢？據個例子來說：假如我們有一個翻譯機(姑且說機吧，也可能是器)實體設備，主要功能是輸入中文，然后可以輸出各種語言對應的翻譯結果，那這個機的功能就是翻譯，我們真正用來處理的數據是我們輸入的中文，我們要得到的“設備功能''就是翻譯后的輸出內容，而各種語言則是我們的選擇控制了，我們可設定這個設備翻譯成何種語言。這就要求我們要向設備發(fā)送命令，設定目標語言。請注意我們要發(fā)送的是兩個“控制數據”，命令和參數。命令：一個設備可能有很多種行為，我們的命令就是代表我們要讓設備執(zhí)行何種行為?！皬臀弧?，“設定目標語言”，“獲得當前目標語言'等參數：對于某一個命令，可能需要參數可能不需要參數。比如：“復位”命令就不需要參數?！霸O定目標語言”則需要傳入目標語言的類型?！矮@取目標語言”則需要傳入一個能夠接收目標語言類型的參數。自己畫了一個設備“數據流”圖，希望能加深理解。設備數據流^-tishion需要處理的數據writef)設備控制參數^-ioctlQ一.設備_-而1(一設備控制命令和參數i

readQ.如理之后的數據對于我們自己的設備我們就要自己定義設備命令了，如果你要想搞清命令的格式，請參考其他資料關于ioctl的參數的介紹。這里不打算介紹這個，只介紹ioctl實際功能。定義自己的IO控制命令需要用到宏。這里直接寫出我的定義而不是介紹宏的實現#defineHELLO_MAGIC12#defineHELLO_IOCTL_RESETLANG_IO(HELLO_MAGIC,0)//設置復位，這個命令不帶參數#defineHELLO_IOCTL_GETLANG_IOR(HELLO_MAGIC,1,int)//獲取當前設備的語言類型參數，參數是int型#defineHELLO_IOCTL_SETLANG_IOW(HELLO_MAGIC,2,int)//設置設備的語言類型，參數是int型多的不說了，下面貼上完整代碼，懶人沒寫注釋。。不好意思。hello_mod.c[cpp]viewplaincopyprint?TOC\o"1-5"\h\z/***4.*Filename:hello.c5.*6.*Description:hello_mod7.*8.*Version:1.09.*Created:01/28/201105:07:55PM10.*Revision:none11.*Compiler:gcc12.*13.*Author:Tishion(shion),tishion@163.com14.*Company:LIM15.*16.*=====================================================================================17.*/18.19.20.#include<linux/module.h>21.#include<linux/init.h>22.#include<linux/kernel.h>23.#include<linux/fs.h>24.#include<linux/uaccess.h>25.#include<linux/semaphore.h>26.#include<linux/cdev.h>27.#include<linux/device.h>28.#include<linux/ioctl.h>29.#include<linux/slab.h>30.#include<linux/errno.h>31.#include<linux/string.h>32.#include"hellomodioctl.h"33.

34.#defineMAJOR_NUM25035.#defineMINOR_NUM036.#defineIN_BUF_LEN25637.#defineOUTBUFLEN51238.39.MODULE_AUTHOR("Tishion");40.MODULE_DESCRIPTION("Hello_moddriverbytishion");41.42.staticstructclass*hello_class;43.staticstructcdevhello_cdev;44.staticdev_tdevnum=0;45.staticchar*modname="hello_mod";46.staticchar*devicename="hello";47.staticchar*classname="hello_class";48.49.staticintopen_count=0;50.staticstructsemaphoresem;51.staticspinlock_tspin=SPIN_LOCK_UNLOCKED;52.staticchar*inbuffer=NULL;53.staticchar*outbuffer=NULL;54.staticlang_tlangtype;55.56.staticinthello_mod_open(structinode*,structfile*);57.staticinthello_mod_release(structinode*,structfile*);58.staticssize_thello_mod_read(structfile*,char*,size_t,loff_t*);59.staticssize_thello_mod_write(structfile*,constchar*,size_t,loff_t*);60.staticinthello_mod_ioctl(structinode*,structfile*,unsignedint,unsignedlong);61.62.structfile_operationshello_mod_fops=63.{64..owner=THIS_MODULE,65..open=hello_mod_open,66..read=hello_mod_read,67..write=hello_mod_write,68..ioctl=hello_mod_ioctl,69..release=hello_mod_release,70.};71.72.staticinthello_mod_open(structinode*inode,structfile*pfile)73.{74.printk("+hello_mod_open()!/n");75.spin_lock(&spin);76.if(open_count)77.{78.spin_unlock(&spin);

79.return-EBUSY;80.}81.open_count++;82.spin_unlock(&spin);83.printk("-hello_mod_open()!/n");84.return0;85.}86.staticinthello_mod_release(structinode*inode,structfile*pfile)87.{88.printk("+hello_mod_release()!/n");89.open_count--;90.printk("-hello_mod_release()!/n");91.return0;92.}93.staticssize_thello_mod_read(structfile*pfile,char*user_buf,size_tlen,loff_t*off)94.{95.printk("+hello_mod_read()!/n");96.97.if(down_interruptible(&sem))98.{99.return-ERESTARTSYS;100.}101.memset(outbuffer,0,OUT_BUF_LEN);102.printk("+switch()/n");103.switch(langtype)104.{105.caseenglish:106.printk(">incase:english/n");107.sprintf(outbuffer,"Hello!%s.",inbuffer);108.break;109.casechinese:110.printk(">incase:chinese/n");111.sprintf(outbuffer,"你好！％s.",inbuffer);112.break;113.casepinyin:114.printk(">incase:pinyin/n");115.sprintf(outbuffer,"nihao!%s.",inbuffer);116.break;117.default:118.printk(">incase:default/n");119.break;120.}121.printk("-switch()/n");122.if(copy_to_user(user_buf,outbuffer,len))123.{

124.up(&sem);125.return-EFAULT;126.}127.up(&sem);128.printk("-hello_mod_read()!/n");129.return0;130.}131.staticssize_thello_mod_write(structfile*pfile,constchar*user_buf,size_tlen,loff_t*off)132.{133.printk("+hello_mod_write()!/n");134.if(down_interruptible(&sem))135.{136.return-ERESTARTSYS;137.}138.if(len>IN_BUF_LEN)139.{140.printk("Outofinputbuffer/n");141.return-ERESTARTSYS;142.}143.if(copy_from_user(inbuffer,user_buf,len))144.{145.up(&sem);146.return-EFAULT;147.}148.up(&sem);149.printk("-hello_mod_write()!/n");150.return0;151.}152.staticinthello_mod_ioctl(structinode*inode,structfile*pfile,unsignedintcmd,unsignedlongarg)153.{154.interr=0;155.printk("+hello_mod_ioctl()!/n");156.printk("+switch()/n");157.switch(cmd)158.{159.caseHELLO_IOCTL_RESETLANG:160.printk(">incase:HELLO_IOCTL_RESETLANG/n");161.langtype=english;162.break;163.caseHELLO_IOCTL_GETLANG:164.printk(">incase:HELLO_IOCTL_GETLANG/n");165.err=copy_to_user((int*)arg,&langtype,sizeof(int));166.break;167.caseHELLO_IOCTL_SETLANG:168.printk(">incase:HELLO_IOCTL_SETLANG/n");

169.err=copy_from_user(&langtype,(int*)arg,sizeof(int));170.break;171.default:172.printk(">incase:default/n");173.err=ENOTSUPP;174.break;175.}176.printk("-switch()/n");177.printk("-hello_mod_ioctl()!/n");178.returnerr;179.}180.staticint_inithello_mod_init(void)181.{182.intresult;183.printk("+hello_mod_init()!/n");184.devnum=MKDEV(MAJOR_NUM,MINOR_NUM);185.result=register_chrdev_region(devnum,1,modname);186.187.if(result<0)188.{189.printk("hello_mod:can'tgetmajornumber!/n");190.returnresult;191.}192.193.cdev_init(&hello_cdev,&hello_mod_fops);194.hello_cdev.owner=THIS_MODULE;195.hello_cdev.ops=&hello_mod_fops;196.result=cdev_add(&hello_cdev,devnum,1);197.if(result)198.printk("Failedatcdev_add()");199.hello_class=class_create(THIS_MODULE,classname);200.if(IS_ERR(hello_class))201.{202.printk("Failedatclass_create().Pleaseexec[mknod]beforeoperatethedevice/n");203.}204.else205.{206.device_create(hello_class,NULL,devnum,NULL,devicename);207.}208.209.open_count=0;210.langtype=english;211.inbuffer=(char*)kmalloc(IN_BUF_LEN,GFP_KERNEL);212.outbuffer=(char*)kmalloc(OUT_BUF_LEN,GFP_KERNEL);213.init_MUTEX(&sem);printk("-hello_mod_init()!/n");return0;}217.staticvoid_exithello_mod_exit(void){printk("+hello_mod_exit!/n");kfree(inbuffer);kfree(outbuffer);cdev_del(&hello_cdev);device_destroy(hello_class,devnum);class_destroy(hello_class);unregister_chrdev_region(devnum,1);printk("-hello_mod_exit!/n");return;}230.module_init(hello_mod_init);module_exit(hello_mod_exit);MODULE_LICENSE("GPL");hello_mod_iotcl.h[cpp]viewplaincopyprint?TOC\o"1-5"\h\z/**=====================================================================================**Filename:hello_mod_ioctl.h**Description:definethecmdsupportedbyhello_mod**Version:1.0*Created:06/19/201110:24:20PM10.*Revision:none11.*Compiler:gcc12.*13.*Author:Tishion(shion),tishion@163.com14.*Company:LIM15.**=====17.*/18.19.#ifndefHELLOMOD_IOCTL_H_#define__HELLO_MOD_IOCTL_H21.#defineHELLO_MAGIC1223.#defineHELLO_IOCTL_RESETLANG_IO(HELLO_MAGIC,0)//setlangtype=english24.#defineHELLO_IOCTL_GETLANG_IOR(HELLO_MAGIC,1,int)//getlangtype25.#defineHELLO_IOCTL_SETLANG_IOW(HELLO_MAGIC,2,int)//setlangtype26.typedefenum_lang_t{english,Chinese,pinyin}lang_t;31.#endifMakefile[cpp]viewplaincopyprint?#**********************************************#Makefilelinux2.6Module#ThismakefileiswrittenforUbuntu10.10#Itmaynotperfomancewithouterrosonthe#otherversionordistributions.#**********************************************#BY:tishion#Mail:tishion@163.com#2011/06/19********************************************obj-m+=hello_mod.oCURRENT_PATH:=$(shellpwd)LINUX_KERNEL:=$(shelluname-r)LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-all:make-C$(LINUX_KERNEL_PATH)M=$(CURRENTclean:make-C$(LINUX_KERNEL_PATH)M=$(CURRENTinstall:insmodhello_mod.kounistall:rmmodhellomod***$(LINUX_KERNEL)_PATH)modules_PATH)clean附上一用戶房測試文件，編譯后需要root身份執(zhí)行.

[cpp]viewplaincopyprint?1./*3.*4.*Filename:hell_mod_test.c5.*6.*Description:hell_modtestapp7.*8.*Version:1.09.*Created:06/20/201101:44:11AM10.*Revision:none11.*Compiler:gcc12.*13.*Author:Tishion(shion),tishion@163.com14.*Company:LIM15.**=========================================17.*/18.19.#include<stdio.h>20.#include<sys/types.h>21.#include<sys/stat.h>22.#include<fcntl.h>23.#include<unistd.h>24.#include<linux/ioctl.h>25.#include<string.h>26.#include<errno.h>27.#include"../hello_mod_ioctl.h"28.29.intmain()30.{31.charoutbuf[512];32.char*myname="tishion";33.lang_tlangtype=english;34.intfd=open("/dev/hello",O_RDWR,S_IRUSR|S_IWUSR);35.if(fd!=-1)36.{37.write(fd,myname,strlen(myname)+1);38.langtype=chinese;39.ioctl(fd,HELLO_IOCTL_SETLANG,&langtype);40.read(fd,outbuf,512);41.printf("langtype=chinese:%s/n",outbuf);42.memset(outbuf,0,512);43.langtype=pinyin;44.ioctl(fd,HELLO_IOCTL_SETLANG,&langtype);45.read(fd,outbuf,512);46.printf("langtype=pinyin:%s/n",outbuf);47.memset(outbuf,0,512);48.ioctl(fd,HELLO_IOCTL_RESETLANG,&langtype);49.read(fd,outbuf,512);50.printf("langtype=english:%s/n",outbuf);51.}52.else53.{54.perror("Failedatopen():");55.}56.}return0;編譯和運行過程圖[shion@shion-Ubuntu:?/projects/cpro/kernelpro/hello__mocl]$Ishello_mod.chello_mod_ioctl.hMakefilereadme.txt[shion@shion-Ubuntu:^/projects/cpro/kernelpro/hello_mod]$makemake-C/usr/src/linux-headers-2.6.35-25-genericM=/hon}e/shion/projects/cpra/kernelpro/hello_modmodulesmake[l]:Enteringdirectory'/usr/src/linux-headers-2.6.35-25-generic'CC[M]/home/shion/projects/cpro/kernelpro/hello^od/hello^od.oBuildingmodulesjstage2.WDPOST1modulesCC/home/shion/projects/cpro/kernelpro/hello_riiocl/hello_mod.raiod.oLD[M]/honte/shion/projects/cpro/kernelpro/hello^od/hello^ocl.komakefl]:Leavingdirectory'/usr/src/linux-headers-2.6.35-25-generic'[shion@shion-Ubuntu:^/projects/cpro/kernelpro/hello_niod]$sudoinsmodhello_(nod.ko[sudo]passwordforshion:[shion@shion-Ubuntu:^/projects/cpro/kernelpro/hello_mod]$cdtest/[shion@shion-Ubuntu:~/prejects/cpro/kernelpro/hello_mod/test]$Ishello_mod_test.c[shion@shion-Ubuntu:-/projects/cpro/kernelpro/hello_Riod/test]$gcchello_mod_test.c-□hello_mod_test.o[shion@shion-Ubuntu:^/projects/cpro/kernelpro/hello^od/test]$sudo./hello_mod_test.olangtype=chinese:f爾好!tishlon.langtype=pinyin:nihao!tishlon.langtype=english:Hello!tishlon.[shion@shion-Ubuntu:~/projects/cpro/kernelpro/hello__ffloci/test]$sudormmodhello__mod[shion@shion-Ubuntu:^/projects/cpro/ke：rnelpro/hello_mod/test]$[shion@shion-Ubuntu:~]$tail-40/var/log/messagesJun2112:32:30shion-Ubuntukernel:9770.141282；+hello_mod_init()!Dun2112:32:30shion-Ubuntukernel:9770.141680-hello_mod_init()!Jun2112:33:11shion-Ubuntukernel:9810.462966|+hello_mod_open()!Dun2112:33:11shion-Ubuntukernel::9810.465136|-hello_mod_open()!Jun2112:33:11shion-Ubuntukernel:9810.465189；|+hello_mod_v?/rite()!Dun2112:33:11shion-Ubuntukernel:9810.465351-hello_mod_write()!3un2112:33:11shion-Ubuntukernel:9810.465449+hello_mod_ioctl()!Jun2112:33:11shion-Ubuntukernel::9810.465460+switch()Jun2112:33:11shion-Ubuntukernel:9810.465477：>incase:HELLO3un2112:33:11shion-Ubuntukernel:9810.465520-switch()Jun2112:33:11shion-Ubuntukernel:9810.465530|-hello_mod_ioctl()!Dun2112:33:11shion-Ubuntukernel::9810.465587+hello_mod_read()!Jun2112:33:11shion-Ubuntukernel:9810.465662+sv/itch()Dun2112:33:11shion-Ubuntukernel:9810.465683>incase:chineJun2112:33:11shion-Ubuntukernel:9810.465713-switch()Dun2112:33:11shion-Ubuntukernel::9810.465785；-hello_mod_read