Linux字符设备驱动入门

先亮一下装备:
平台:VMware 7.0 + Linux Ubuntu 3.0.0-12-generic

编译器:gcc

参考资料:LDD 3

功能:实现简单的字符操作(从用户空间向内核空间写入一串字符;从内核空间读一个字符到内核空间)
        众所周知,字符设备是linux下最基本,也是最常用到的设备,它是学习Linux驱动入门最好的选择,计算机的东西很多都是相通的,掌握了其中一块,其他就可以触类旁通了。在写驱动前,必须先搞清楚字符设备的框架大概是怎样的,弄清楚了流程,才开始动手,不要一开始就动手写代码!
        这里所说的框架是参考LLD3上介绍的,内核是基于Linux 2.6,3.0以上的有些地方会不一样(主要是file_operations中的ioctl修改了),但基本上适用,因为我就是在3.0的内核上实现的!字符设备驱动的初始化流程大概如下所示:

定义相关的设备文件结构体(如file_operation()中的相关成员函数的定义)->向内核申请主设备号(建议采用动态方式) ->申请成功后,调用MAJOR()获取主设备号 ->初始化cdev的结构体,调用cdev_init() ->调用cdev_add(),注册cdev到kernel ->注册设备模块:module_init()、module_exit()。

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编写代码

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            首先定义两个全局变量(主设备号和字符设备hellow):  

                                                           static int hello_major = 0;        /* major device number */

                                                           static struct cdev hellow;    /* hello device structure */

             然后来看看file_operations(),它的定义可以在../include/linux/fs.h下找到,这里只用到了其中的几个成员函数:

/* file operations for hello device */
static struct file_operations hello_ops = {
    .owner = THIS_MODULE,  /*owner为所有者字段,防止在使用时模块被卸载。一边都设为THIS_MODULE*/
    .open = hello_open,
    .read = hello_read,
    .write = hello_write,
    .release = hello_release,

};


       不同于windows驱动程序,Linux设备驱动程序在与硬件设备之间建立了标准的抽象接口。通过这个接口,用户可以像处理普通文件一样,通过open,close,read,write等系统调用对设备进行操作,如此一来也大大简化了linux驱动程序的开发。通过file_operations这个结构体(实际上是一个函数指针的集合),把驱动的操作和设备号联系起来,程序员所要做的工作只是通过file_operations挂接自己的系统调用函数。   

Linux字符设备驱动入门

  

        接下来就是实现open,close,read,write操作了,这个驱动什么都没干,所以很好理解,用户请求read系统调用时,这个虚拟设备反回相应长度的“A”字符串,用户write时,将内容显示到日志中。这里要注意的是,内核空间中不能使用用户态的malloc,而是使用kmalloc/kfree。而且,用户read/write提供的buf地址也是用户态的,内核自然不能直接访问,需要通过copy_to_user/copy_from_user 进行数据拷贝,具体如下:

/* Open the device */
static int hello_open( struct inode *inode, struct file *filp ){
    printk( KERN_NOTICE"Hello device open!\n" );
    return 0;
}


/* Close hello_device */
static int hello_release( struct inode *inode, struct file *filp ){
    printk( KERN_NOTICE"Hello device close!\n" );
    return 0;
}


/* user read from hello device*/
ssize_t hello_read( struct file *flip, char __user *buf, size_t count,loff_t
                    *f_pos){
    ssize_t retval = 0;
    char *bank;
    bank = kmalloc(count+1, GFP_KERNEL );
    if( bank == NULL )
        return -1;
    memset( bank, 'A',count );
    if( copy_to_user( buf, bank, count ) ){
        retval = -EFAULT;
        goto out;
    }
    retval += count;
    *(bank+count)=0;
    printk( KERN_NOTICE"hello: user read %d bytes from me. %s\n",count,bank );
  out:
    kfree(bank);
    return retval;
}

/* write to hello device */
ssize_t hello_write( struct file *filp, const char __user *buf, size_t count,
                     loff_t *f_pos ){
    ssize_t retval = 0;
    char *bank = kmalloc( count ,GFP_KERNEL );
    if( bank == NULL )
        return retval;
    if( copy_from_user(bank, buf, count ) ){
        retval = -EFAULT;
        printk( KERN_NOTICE"hello: write error\n" );
        goto out;
    }
    retval += count;
    printk( KERN_NOTICE"hello: user has written %d bytes to me: %s\n",count,
            bank );
  out:
    kfree(bank );
    return retval;
}

       你可能会注意到open和release函数头中的file和inode结构体,inode是内核内部文件的表示,当其指向一个字符设备时,其中的i_cdev成员既包含了指向cdev结构的指针。而file表示打开的文件描述符,对一个文件,若打开多次,则会有多个file结构,但只有一个inode与之对应。

        因为驱动工作在内核空间,不能使用用户空间的libc函数,所以程序中打印语句为内核提供的printk,而非printf,KERN_NOTICE宏其实标记的是日志级别(共有八个)不同级别的消息会记录到不同的地方。如果你运行本模块,可能会发现printk语句并没有输出到控制台,这是正常的,控制台只显示一定级别的消息。当日志级别小于console_loglevel时,消息才能显示出来。你可以通过dmsg命令看到这些信息,也可以通过修改日志级别使之输出到你的虚拟终端。

        作好以上准备工作后,接下来就可以开始进行向内核申请主设备号了。设备号是干什么吃的?据LDD记载,对字符设备的访问是通过文件系统内的设备名称进行的。那些被称为特殊文件、设备文件的节点,通常位于/dev目录,如果ls -l 查看该目录,第一列中带有c标志的即为字符设备,有b标志的为块设备。而第5、6列所示的两个数字分别为设备的主、次设备号。通常,主设备号标识设备所用的驱动程序(现在大多设备仍然采用“一个主设备号对应一个驱动程序”的规则),次设备号用于确定设备,比如你有两块网卡,使用同一驱动,主设备号相同,那么他们将由次设备号区分。
/* Module housekeeping */
static int hello_init(void){
    int result;
    dev_t dev = MKDEV( hello_major, 0 );/*to transfer major as dev_t type*/

    /* alloc the major    device number dynamicly */
    result = alloc_chrdev_region(&dev, 0 ,1, "hello" );
    if( result < 0 ){
        printk( KERN_NOTICE"Hello: unable to get major %d\n",hello_major );
        return result;
    }
    hello_major = MAJOR(dev);
    /* set up devices, in this case, there is only one device */
    printk( KERN_NOTICE"hello init. major:%d, minor:%d\n",hello_major,0 );
    //printk( KERN_ALERT"hello init: %d, %d\n",hello_major,0 );
    hello_setup_cdev(&hellow, 0 , &hello_ops );
    
    return 0;
    
}

/* Exit routine */
static void hello_exit(void){
    /* remove the cdev from kernel */
    cdev_del(&hellow );
    /* release the device numble alloced earlier */
    unregister_chrdev_region( MKDEV( hello_major, 0 ), 1 );
    printk( KERN_NOTICE"hello exit. major:%d,minor %d\n",hello_major,0 );
}

        这里主设备号的分配由alloc_chrdev_region(第一个参数为dev_t 指针,用来存放设备编号,第二个参数为要使用的第一个次设备号,通常为0,第三个参数为请求的连续设备编号个数)动态分配,当然也可以静态指定一个未被使用的主设备号,相应函数为register_chrdev_region,但不推荐这样做。在模块被卸载时(hello_exit),通过unregister_chrdev_region释放设备号。MKDEV宏将给出的主、次设备号转换成dev_t类型,MAJOR,MINOR分别从dev_t中析取主次设备号。

这里几个函数的原型为:

int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);

void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);


         然后进入hello_setup_cdev函数,对设备进行初始化这里cdev结构体是内核内部使用来表示字符设备的。在内核调用设备操作之前,必须分配并注册一个或多个这样的结构。为了方便,没有动态使用cdev_alloc函数分配空间,而是定义了一个全局静态cdev变量。通常你可以将你的cdev嵌入到自定义的结构体中(这个驱动很naive,没有这么做),通过cdev_init 函数初始化。最后调用cdev_add(),注册cdev到内核。

         /* set up the cdev stucture for a device */
static void hello_setup_cdev( struct cdev *dev, int minor, struct
file_operations *fops ){
    int err;
    int devno = MKDEV( hello_major, minor );
    /* initialize the cdev struct */
    cdev_init( dev,fops );
    dev->owner = THIS_MODULE;
    err = cdev_add( dev, devno, 1 ); /* register the cdev in the kernel */
    if( err )
        printk( KERN_NOTICE"Error %d adding hello%d\n",err ,minor );
}


        最后module_init( hello_init ); module_exit( hello_exit );指定了模块初始化和关闭函数。MODULE_LICENSE( "Dual BSD/GPL" );  指定模块使用的许可证能被内核识别的许可证有GPL、GPL v2、 Dual BSD/GPL、 Dual MPL/GPL、Proprietary(专有)等,如果模块没有显式标记许可证,则会被认定为“专有”,内核加载这样的模块会被“污染”。


/* register the init and exit routine of the module */
module_init( hello_init );
module_exit( hello_exit );

MODULE_AUTHOR( "jabenwang" );
MODULE_LICENSE( "Dual BSD/GPL" );

  到这里,这个字符设备驱动已经完成,接下来就是编译它。

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