Linux字符设备驱动框架

时间  2019-11-30
标签 linux 字符 设备 驱动 框架 栏目 Linux 繁體版
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字符设备是Linux三大设备之一(另外两种是块设备，网络设备)，字符设备就是字节流形式通信的I/O设备,绝大部分设备都是字符设备，常见的字符设备包括鼠标、键盘、显示器、串口等等，当咱们执行ls -l /dev的时候，就能看到大量的设备文件，c就是字符设备，b就是块设备，网络设备没有对应的设备文件。编写一个外部模块的字符设备驱动，除了要实现编写一个模块所须要的代码以外，还须要编写做为一个字符设备的代码。node

驱动模型

Linux一切皆文件，那么做为一个设备文件，它的操做方法接口封装在struct file_operations，当咱们写一个驱动的时候，必定要实现相应的接口，这样才能使这个驱动可用，Linux的内核中大量使用"注册+回调"机制进行驱动程序的编写，所谓注册回调，简单的理解，就是当咱们open一个设备文件的时候，实际上是经过VFS找到相应的inode，并执行此前建立这个设备文件时注册在inode中的open函数，其余函数也是如此，因此，为了让咱们写的驱动可以正常的被应用程序操做，首先要作的就是实现相应的方法，而后再建立相应的设备文件。linux

#include <linux/cdev.h> //for struct cdev
#include <linux/fs.h>   //for struct file
#include <asm-generic/uaccess.h>    //for copy_to_user
#include <linux/errno.h>            //for error number

static int ma = 0;
static int mi = 0;
const int count = 3;

/* 准备操做方法集 */
/* 
struct file_operations {
    struct module *owner;   //THIS_MODULE
    
    //读设备
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    //写设备
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);

    //映射内核空间到用户空间
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

    //读写设备参数、读设备状态、控制设备
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

    //打开设备
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    //关闭设备
    int (*release) (struct inode *, struct file *);

    //刷新设备
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);

    //文件定位
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

    //异步通知
    int (*fasync) (int, struct file *, int);
    //POLL机制
    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
    。。。
};
*/

ssize_t myread(struct file *filep, char __user * user_buf, size_t size, loff_t* offset)
{
    return 0;
}

struct file fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .read = myread，
    ...
};

/* 字符设备对象类型 
struct cdev {
    struct kobject kobj;     
    struct module *owner;        //模块全部者（THIS_MODULE），用于模块计数
    const struct file_operations *ops;    //操做方法集（分工:打开、关闭、读/写、...）
    struct list_head list;
    dev_t dev;                            //设备号（第一个）
    unsigned int count;            //设备数量
};
*/

static int __init chrdev_init(void)
{
    ...
    /* 构造cdev设备对象 */
    struct cdev *cdev_alloc(void);

    /* 初始化cdev设备对象 */
    void cdev_init(struct cdev*, const struct file_opeartions*);

    /* 申请设备号，静态or动态*/
    /* 为字符设备静态申请第一个设备号 */
    int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char* name);

    /* 为字符设备动态申请第一个设备号 */
    int alloc_chrdev_region(dev_t* dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char* name);

    ma = MAJOR(dev)     //从dev_t数据中获得主设备号
    mi = MINOR(dev)     //从dev_t数据中获得次设备号
    MKDEV(ma,1) //将主设备号和次设备号组合成设备号,多用于批量建立/删除设备文件

    /* 注册字符设备对象cdev到内核 */
    int cdev_add(struct cdev* , dev_t, unsigned);
    ...
}

static void __exit chrdev_exit(void)
{
    ...
    /* cdev_del()、cdev_put()二选一 */
    /* 从内核注销cdev设备对象 */
    void cdev_del(struct cdev* );

    /* 从内核注销cdev设备对象 */
    void cdev_put(stuct cdev *);

    /* 回收设备号 */
    void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
    ...
}

罗嗦一句，若是使用静态申请设备号，那么最大的问题就是不要与已知的设备号相冲突，内核在文档"Documentation/devices.txt"中已经注明了哪些主设备号被使用了，从中能够看出，在2^12个主设备号中，咱们可以使用的范围是240-255以及261-2^12-1的部分，这也能够解释为何咱们动态申请的时候，设备号常常是250的缘由。此外，经过这个文件，咱们也能够看出，"主设备号表征一类设备"，可是字符/块设备自己就能够被分为好多类，因此内核给他们每一类都分配了主设备号。
网络

实现read，write

Linux下各个进程都有本身独立的进程空间，即便是将内核的数据映射到用户进程，该数据的PID也会自动转变为该用户进程的PID，因为这种机制的存在，咱们不能直接将数据从内核空间和用户空间进行拷贝，而须要专门的拷贝数据函数/宏：异步

long copy_from_user(void *to, const void __user * from, unsigned long n)

long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n)

这两个函数能够将内核空间的数据拷贝到回调该函数的用户进程的用户进程空间，有了这两个函数，内核中的read,write就能够实现内核空间和用户空间的数据拷贝。async

ssize_t myread(struct file *filep, char __user * user_buf, size_t size, loff_t* offset)
{
    long ret = 0;
    size = size > MAX_KBUF?MAX_KBUF:size;
    if(copy_to_user(user_buf, kbuf,size)
        return -EAGAIN;
    }
    return 0;
}

实现ioctl

ioctl是Linux专门为用户层控制设备设计的系统调用接口，这个接口具备极大的灵活性，咱们的设备打算让用户经过哪些命令实现哪些功能，均可以经过它来实现，ioctl在操做方法集中对应的函数指针是long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);，其中的命令和参数彻底由驱动指定，一般命令会写在一个头文件中以供应用层和驱动层遵照一样的通讯协议，Linux建议如图所示的方式定义ioctl()命令函数

设备类型    序列号     方向      数据尺寸
8bit        8bit    2bit    13/14bit

设备类型字段为一个幻数，能够是0~0xff之间的数，内核中的"ioctl-number.txt"给出了一个推荐的和已经被使用的幻数(可是已经很久没人维护了)，新设备驱动定义幻数的时候要避免与其冲突。
序列号字段表示当前命令是整个ioctl命令中的第几个，从1开始计数。
方向字段为2bit，表示数据的传输方向，可能的值是：_IOC_NONE，_IOC_READ，_IOC_WRITE和_IOC_READ|_IOC_WRITE。
数据尺寸字段表示涉及的用户数据的大小，这个成员的宽度依赖于体系结构，一般是13或14位。测试

内核还定义了_IO()，_IOR()，_IOW()，_IOWR()这4个宏来辅助生成这种格式的命令。这几个宏的做用是根据传入的type(设备类型字段)，nr(序列号字段)和size(数据长度字段)和方向字段移位组合生成命令码。设计

内核中还预约义了一些I/O控制命令，若是某设备驱动中包含了与预约义命令同样的命令码，这些命令会被当作预约义命令被内核处理而不是被设备驱动处理，有以下4种:指针

  • FIOCLEX:即file ioctl close on exec 对文件设置专用的标志，通知内核当exec()系统带哦用发生时自动关闭打开的文件
  • FIONCLEX:即file ioctl not close on exec，清除由FIOCLEX设置的标志
  • FIOQSIZE:得到一个文件或目录的大小，当用于设备文件时，返回一个ENOTTY错误
  • FIONBIO:即file ioctl non-blocking I/O 这个调用修改flip->f_flags中的O_NONBLOCK标志

实例

//mycmd.h
...
#include <asm/ioctl.h>
#define CMDT 'A'
#define KARG_SIZE 36
struct karg{
    int kval;
    char kbuf[KARG_SIZE];
};
#define CMD_OFF _IO(CMDT,0)
#define CMD_ON  _IO(CMDT,1)
#define CMD_R   _IOR(CMDT,2,struct karg)
#define CMD_W   _IOW(CMDT,3,struct karg)
...
//chrdev.c
static long demo_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    static struct karg karg = {
        .kval = 0,
        .kbuf = {0},
    };
    struct karg *usr_arg;

    switch(cmd){
    case CMD_ON:
        /* 开灯 */
        break;
    case CMD_OFF:
        /* 关灯 */
        break;
    case CMD_R:
        if(_IOC_SIZE(cmd) != sizeof(karg)){
            return -EINVAL;
        }
        usr_arg = (struct karg *)arg;
        if(copy_to_user(usr_arg, &karg, sizeof(karg))){
            return -EAGAIN;
        }
        break;
    case CMD_W:     
        if(_IOC_SIZE(cmd) != sizeof(karg)){
            return -EINVAL;
        }
        usr_arg = (struct karg *)arg;
        if(copy_from_user(&karg, usr_arg, sizeof(karg))){
            return -EAGAIN;
        }
        break;
    default:
        ;
    };
    return 0;
}

建立设备文件

插入的设备模块，咱们就可使用cat /proc/devices命令查看当前系统注册的设备，可是咱们尚未建立相应的设备文件，用户也就不能经过文件访问这个设备。设备文件的inode应该是包含了这个设备的设备号，操做方法集指针等信息，这样咱们就能够经过设备文件找到相应的inode进而访问设备。建立设备文件的方法有两种，手动建立或自动建立，手动建立设备文件就是使用mknod /dev/xxx 设备类型 主设备号 次设备号的命令建立，因此首先须要使用cat /proc/devices查看设备的主设备号并经过源码找到设备的次设备号，须要注意的是，理论上设备文件能够放置在任何文件加夹，可是放到"/dev"才符合Linux的设备管理机制，这里面的devtmpfs是专门设计用来管理设备文件的文件系统。设备文件建立好以后就会和建立时指定的设备绑定，即便设备已经被卸载了，如要删除设备文件，只须要像删除普通文件同样rm便可。理论上模块名(lsmod),设备名(/proc/devices)，设备文件名(/dev)并无什么关系，彻底能够不同，可是原则上仍是建议将三者进行统一，便于管理。code

除了使用蹩脚的手动建立设备节点的方式，咱们还能够在设备源码中使用相应的措施使设备一旦被加载就自动建立设备文件，自动建立设备文件须要咱们在编译内核的时候或制做根文件系统的时候就好相应的配置:

Device Drivers --->
        Generic Driver Options --->
            [*]Maintain a devtmpfs filesystem to mount at /dev
            [*] Automount devtmpfs at /dev,after the kernel mounted the rootfs

OR
制做根文件系统的启动脚本写入

mount -t sysfs none sysfs /sys
mdev -s //udev也行

有了这些准备，只须要导出相应的设备信息到"/sys"就能够按照咱们的要求自动建立设备文件。内核给咱们提供了相关的API

class_create(owner,name);
struct device *device_create_vargs(struct class *cls, struct device *parent,dev_t devt, void *drvdata,const char *fmt, va_list vargs);

void class_destroy(struct class *cls);   
void device_destroy(struct class *cls, dev_t devt);

有了这几个函数，咱们就能够在设备的xxx_init()和xxx_exit()中分别填写如下的代码就能够实现自动的建立删除设备文件

/* 在/sys中导出设备类信息 */
    cls = class_create(THIS_MODULE,DEV_NAME);

    /* 在cls指向的类中建立一组(个)设备文件 */
    for(i= minor;i<(minor+cnt);i++){
        devp = device_create(cls,NULL,MKDEV(major,i),NULL,"%s%d",DEV_NAME,i);
    }
/* 在cls指向的类中删除一组(个)设备文件 */
    for(i= minor;i<(minor+cnt);i++){
        device_destroy(cls,MKDEV(major,i));
    }

    /* 在/sys中删除设备类信息 */
    class_destroy(cls);             //必定要先卸载device再卸载class

完成了这些工做，一个简单的字符设备驱动就搭建完成了，如今就能够写一个用户程序进行测试了^ - ^

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