LDD3阅读笔记-字符设备驱动
#主要开发流程介绍node
module_init宏和module_exit宏linux
当模块装载时须要调用module_init宏指定的函数，卸载时须要调用 module_exit宏指定的函数
如下是简单的init流程：express
- 初始化设备
- 初始化file_operation
- 获取字符设备号
- 注册字符设备
当卸载模块时，须要释放申请的设备号。api
#主设备号和次设备号 对字符设备的访问是经过文件系统内的设备名称进行的。那些名称被称为特殊 文件、设备文件，或者简单称为文件系统树的节点，他们一般位于/dev目录。安全
一般而言，主设备号表示设备对应的驱动程序。例如，/dev/null和/dev/zero 由驱动程序1管理，而虚拟控制台和串口终端由驱动程序4管理。数据结构
现代的Linux内核容许多个驱动程序共享主设备号，但咱们看到的仍然按照”一 个主设备号对应一个驱动程序“的原则组织。架构
/proc/devices 能够查看注册的主设备号； /proc/modules 能够查看正在使用模块的进程数并发
#设备编号的内部表达 在内核中dev_t类型（在linux/types.h中定义）用来保存设备编号——包括主 设备号和次设备号。咱们的代码不该该对设备编号的组织作任何假定，而应该始终 使用linux/kdev_t.h中定义的宏。app
MAJOR(dev_t dev); MINOR(dev_t dev);
相反，若是要将主设备号和次设备号转换成dev_t类型，则使用：异步
MKDEV(int major, int minor);
#分配和释放设备编号 在创建一个字符设备以前，咱们的驱动程序首先要作的事情就是得到一个或者多个 设备编号。完成该工做的必要函数是 register_chrdev_region，该函数在linux/fd.h 中声明：
int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);
其中 first 是要分配的设备编号范围的起始值。first的次设备号常常被置为0，但对 该函数不是必须的。count 是所请求的连续设备编号的个数。 name 是和该编号范围 关联的设备名称，它将出如今/proc/devices和sysfs中。
若是咱们知道可用的设备编号，则 register_chrdev_region 会工做很好。可是 咱们进程不知道将要用哪些主设备号；应此提供了如下函数
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor,
unsigned int count, char *name);
dev 用于输出参数，成功调用后保存已分配范围的第一个编号。 firstminor 应该是 要使用的被请求的第一个次设备号，一般是0。 count 和 name 参数和 register_chrdev_region 相同。
不管使用哪一种方法分配设备号，都应该在再也不使用它们时释放这些设备编号。
void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);
一般咱们在清除模块中调用 unregister_chrdev_region 函数。
#一些重要的数据结构
##文件操做 迄今为止，咱们已经为本身保留了一些设备编号，但还没有将任何驱动程序的操做链接到这些 编号。file_operations结构就是用来创建这种链接的。
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(*aio_read) (struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t);
ssize_t(*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t(*aio_write) (struct kiocb *, const char __user *, size_t,
loff_t);
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int,
unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t(*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,
loff_t *);
ssize_t(*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,
loff_t *);
ssize_t(*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t,
void __user *);
ssize_t(*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t,
loff_t *, int);
unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *, unsigned long,
unsigned long, unsigned long,
unsigned long);
};
struct file_operations scull_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = scull_llseek,
}; //C99 syntax
##file结构 在<linux/fs.h>中定义的struct file是设备驱动程序所使用的第二个最重要的数据结构。
注意：file结构和用户空间程序中的FILE没有任何关联。FILE是C库中的定义的结构， 而struct file是一个内核结构，不会出如今用户程序中（文件描述符应该是指向该结构体）。
struct file {
mode_t f_mode; //文件模式
loff_t f_pos; //当前读写位置
unsigned int f_flags; //文件标志，如O_RDONLY、O_NONBLOCK和O_SYNC。
struct file_operations *f_op; //与文件相关的操做。
void *private_data; //open系统调用在调用驱动程序的open方法前将这个
//指针置为NULL。
struct dentry *f_dentry;//文件对应的目录项(dentry)结构。
//filp->f_dentry->d_inode
……
}
##inode结构 内核用inode结构在内部表示文件，所以它和file结构不一样，后者表示打开的文件描述符。对 单个文件，可能会有多个表示打开的文件描述符的file结构，但它们都指向单个inode结构。
struct inode {
dev_t i_rdev; //对表示设备文件的inode结构，
//该字段包含了真正的设备编号
struct cdev *i_cdev;//表示字符设备的内核内部结构。
……
}
i_rdev 的类型在2.5开发系列版本中发生了变化，为了鼓励编写可移植性更强的代码， 内核开发者增长了两个新的宏。
unsigned int iminor(struct inode *inode); //获取次设备号
unsigned int imajor(struct inode *inode); //获取主设备号
#字符设备的注册 内核内部使用struct cdev结构来表示字符设备。在内核调用设备的操做以前，必须分配 并注册一个或者多个上述结构。为此，咱们的代码须要包含linux/cdev.h，其中定义 了这个结构以及与其相关的一些辅助函数。
struct cdev {
struct kobject kobj;
struct module *owner;
const struct file_operations *ops;
struct list_head list;
dev_t dev;
unsigned int count;
};
有一个老的机制能够避免使用cdev结构，可是新代码应该使用新技术。
struct cdev *my_cdev = cdev_alloc(); my_cdev->ops = &my_fops;
咱们能够将cdev结构嵌入到本身的设备特定结构中（有点相似派生的C版本）。 若是没有经过 cdev_alloc 申请，则咱们须要用下面的代码来初始化已分配的结构：
void cdev_init(struct cdev *cdev,
struct file_operations *fops);
还有一个字段须要初始化，和file_operations同样，struct cdev也有一个全部者字段， 应设置为THIS_MODULE。
在设置完cdev结构后，最后的步骤是告诉内核该结构的信息：
int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num,
unsigned int count);
num 是该设备对应的第一个设备编号，count是应该和该设备关联的设备编号数量。 只要 cdev_add 成功返回，咱们的设备就要开始工做了，它的操做会被内核调用。
要从系统移除一个字符设备，作以下调用：
void cdev_del(struct cdev *dev);
在将cdev经过 cdev_del 移除后，就不该该再访问cdev结构了。
##Scull中的设备注册
static void scull_setup_cdev(struct scull_dev *dev, int index)
{
int err, devno = MKDEV(scull_major, scull_minor+index);
cdev_init(&dev->cdev, &scull_fops);
dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
dev->cdev.ops = &scull_fops; // this expression is redundancy ?
err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
if(err){
printk(KERN_NOTICE "Error %d adding scull%d", err, index);
}
}
由于cdev结构被内嵌到了strcut scull_dev中，所以必须调用cdev_init来执行该结构 的初始化。
##早期办法
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
struct file_operations *fops);
对 register_chrdev 的调用将 为给定的主设备号注册0～255做为次设备号，并为 每一个设备创建一个对应的默认cdev结构。使用这一接口的驱动程序必须可以处理全部 256个次设备号上的 open 调用。对应的移除函数：
int unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);
#open和release
##open方法
open 方法提供给驱动程序以初始化的能力（和module_init的不一样），open应完成以下 工做：
- 检查设备特定的错误（如设备未就绪或相似硬件问题）
- 若是设备首次打开，对其进行初始化。
- 若有必要，更新f_op指针。
- 分配并填写置于filp->private_data里的数据结构。
open 方法的原型以下：
int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp);
inode参数在i_cdev字段中包含了咱们须要的信息，即咱们先前设定的cdev结构。咱们一般须要 包含它的scull_dev结构，内核黑客为咱们提供了此类技巧，它经过定义在linux/kernel.h 中的container_of宏实现：
container_of(pointer, container_type, container_field); struct scull_dev *dev; dev = container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev); flip->private_data = dev;
另外一个肯定要打开的设备的方法是：检查保存在inode中的次设备号。若是使用了 register_chrdev 注册设备，则必须使用该技术。 通过简化的 scull_open 代码：
int scull_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct scutll_dev *dev;
dev = container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev);
filp->private_data = dev;
if((filp->f_flags&O_ACCMODE)==O_WRONLY){
scull_trim(dev);
}
return 0;
}
因为咱们没有维护scull的打开计数，只维护模块的使用计数，所以 也就没有相似"首次打开时初始化设备"这类动做。
##release方法 release 方法和 open 相反，有时这个方法被称为 device_close。
- 释放由 open 分配的、保存在filp->private_data中的全部内容。
- 在最后一次关闭操做时关闭设备。
注： 后面scull_open为每种设备都替换了不一样的filp->f_op，因此不一样的设备由 不一样的函数关闭
当关闭一个设备文件的次数比打开它的次数多时，系统中会发生什么？ 答案很简单：并非每一个close系统调用都会引发对release方法的调用。只有 真正释放设备数据结构的 close 调用才会调用这个方法。内核对每一个file 结构维护其被使用多少次的计数器。不管 fork 仍是 dup 都不会建立新 的数据结构（仅由open建立），他们只是增长已有结构中的计数。只有file结 构的计数归零是，close系统调用才会执行release方法，这只在删除这个结 构时才会发生。保证了一次open只会看到一次release调用。
注意：flush方法在应用程序每次调用close时都会调用。
#read和write read 和 write 方法完成的任务是类似的，亦即，拷贝数据到应用程序空间， 或者反过来。
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);
须要说明的是read和write方法的buff参数是用户空间的指针。所以，代码不能直接 引用其中内容。缘由以下：
- 随着驱动程序所运行的架构不一样或者内核配置不一样，在内核模式运行时，用户 空间的指针多是无效的。
- 即便该指针在内核空间中表明相同的东西，但用户空间的内存是分页的，而在系统 调用被调用时，涉及到的内存可能根本不在RAM中。对用户空间的内存的直接引用 将致使页错误，而这对内核代码来讲是不容许发生的事情。其结果多是“oops”。
- 咱们讨论的指针可能由用户程序提供，而该程序可能存在缺陷或者是个恶意程序。
为确保安全，须要使用下面几个函数（由linux/uaccess.h中定义）
unsigned long copy_to_user(void __user *to,
const void *from,
unsigned long count);
unsigned long copy_from_user(void *to,
const void __user *from,
unsigned long count);
当内核空间运行的代码访问用户空间的时候必须多加当心，由于被寻址的用户页面 可能不存在当前内存中，因而虚拟内存子系统经该进程转入休眠，知道该页面被加载 到指望位置。对驱动开发人员来讲，这带来的结果就是任何访问用户空间的函数都是 必须可重入的（异步信号安全），必须能和其余驱动程序函数并发执行，更特别的是 必须处于可以合法休眠的状态。 
#readv和writev Unix系统很早就已支持两个可选的系统调用：readv和writev。 若是驱动程序没有提供用于处理向量操做的方法，readv和writev会经过对read和 write方法的屡次调用来实现。但在不少状况下，直接在驱动程序中实现readv和writev 能够得到更高的效率（收集分散的buffer直接传给驱动读写，减小了内存拷贝次数）。
ssize_t (*readv) (struct file *filp, const struct iovec *iov,
unsigned long count, loff_t *ppos);
ssize_t (*writev) (struct file *filp, const struct iovec *iov,
unsigned long count, loff_t *ppos);
iovec结构定义在<linux/uio.h>中：
struct iovec {
void __user *iov_base;
__kernel_size_t iov_len;
}
每一个iovec结构都描述了一个用于传输的数据块。函数中的count参数指明要操做多少 个iovec结构。 正确而有效率的操做常常须要驱动程序作一些更为巧妙的事情。 例如，磁带驱动程序的writev就应将全部iovec结构的内容做为磁带上的单个记录写入。 若是忽略他们，内核会经过read和write模拟它们。
#实例
/*
* =====================================================================================
*
* Filename: scull.c
*
* Description: this is a first driver from ldd3
* ignore mutithread race, data overflow,
* just a simple example.
*
* Version: 1.0
* Created: 11/29/2014 09:00:04 PM
* Revision: none
* Compiler: gcc
*
* Author: firemiles(firemiles@163.com),
* Organization:
*
* =====================================================================================
*/
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include<linux/slab.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
static long scull_ioctl (struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long n);
static ssize_t scull_write (struct file *file, const char __user *buff,
size_t count, loff_t *f_ops );
static ssize_t scull_read (struct file *file, char __user *buff,
size_t count, loff_t *f_ops );
static loff_t scull_llseek (struct file *file, loff_t f_ops, int count);
static int scull_release (struct inode *inode, struct file *file );
static int scull_open (struct inode *inode, struct file *file );
static int scull_major = 0;
static int scull_minor = 0;
struct scull_dev {
char *data;
size_t maxlen; //buffer length
size_t len; //data length
struct cdev cdev;
}scull_dev1;
struct file_operations scull_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = scull_llseek,
.read = scull_read,
.write = scull_write,
.unlocked_ioctl = scull_ioctl, //new api
.open = scull_open,
.release= scull_release,
};
/*
* === FUNCTION ======================================================================
* Name: scull open
* Description:
* =====================================================================================
*/
static int scull_open (struct inode *inode, struct file *filp )
{
struct scull_dev *dev;
dev = container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev);
filp->private_data = dev;
if(dev->data == NULL){
dev->data = (char *)kmalloc(1024, GFP_KERNEL);
dev->maxlen = 1024;
dev->len = 0;
}
return 0;
} /* ----- end of function scull open ----- */
/*
* === FUNCTION ======================================================================
* Name: scull_close
* Description:
* =====================================================================================
*/
static int scull_release (struct inode *inode, struct file *filp )
{
return 0;
} /* ----- end of function scull_close ----- */
/*
* === FUNCTION ======================================================================
* Name: scull_llseek
* Description:
* =====================================================================================
*/
static loff_t scull_llseek (struct file *file, loff_t f_ops, int count)
{
return 0;
} /* ----- end of function scull_llseek ----- */
/*
* === FUNCTION ======================================================================
* Name: scull_read
* Description:
* =====================================================================================
*/
static ssize_t scull_read (struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *f_ops )
{
int num;
struct scull_dev *dev = filp->private_data;
copy_to_user(buff, dev->data, dev->len); // ignore buff overflow;
num = dev->len;
dev->len = 0;
return num;
} /* ----- end of function scull_read ----- */
/*
* === FUNCTION ======================================================================
* Name: scull_write
* Description:
* =====================================================================================
*/
static ssize_t scull_write (struct file *filp, const char __user *buff, size_t count, loff_t *f_ops )
{
struct scull_dev *dev = filp->private_data;
copy_from_user(dev->data, buff, count); // ignore data overflow;
dev->len = count;
return count;
} /* ----- end of function scull_write ----- */
/*
* === FUNCTION ======================================================================
* Name: scull_ioctl
* Description:
* =====================================================================================
*/
static long scull_ioctl (struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long n)
{
return 0;
} /* ----- end of function scull_ioctl ----- */
/*
* === FUNCTION ======================================================================
* Name: scull_setup_cdev
* Description:
* =====================================================================================
*/
static void scull_setup_cdev (struct scull_dev *dev, int index)
{
int err;
dev_t devnum;
char name[16];
sprintf(name,"scull1");
if(scull_major){
devnum = MKDEV(scull_major, scull_minor+index);
err = register_chrdev_region(devnum, 1, name);
}else{
err = alloc_chrdev_region(&devnum, scull_minor+index, 1, name);
scull_major = MAJOR(devnum);
}
if(err<0){
printk(KERN_WARNING "scull1: can't get major %d\n", scull_major);
return;
}
cdev_init(&dev->cdev, &scull_fops);
dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
dev->cdev.ops = &scull_fops; //nessary?
err = cdev_add(&dev->cdev, devnum, 1);
if(err){
printk(KERN_NOTICE "Error %d adding scull%d", err, index);
}
} /* ----- end of function scull_setup_cdev ----- */
/*
* === FUNCTION ======================================================================
* Name: scull_init
* Description:
* =====================================================================================
*/
static int __init scull_init (void)
{
scull_setup_cdev(&scull_dev1, 1);
printk(KERN_ALERT "scull init\n");
return 0;
} /* ----- end of function scull_init ----- */
/*
* === FUNCTION ======================================================================
* Name: scull_exit
* Description:
* =====================================================================================
*/
static void __exit scull_exit (void)
{
kfree(scull_dev1.data);
unregister_chrdev_region(scull_dev1.cdev.dev, 1);
cdev_del(&scull_dev1.cdev);
printk(KERN_ALERT "scull exit\n");
} /* ----- end of function scull_exit ----- */
/* this macro told to compiler.
* that the two function are init function and exit function
*
*/
module_init(scull_init);
module_exit(scull_exit);
- 1. 【驱动笔记】字符设备
- 2. LDD3 阅读随记
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