一、Linux device driver 的概念
系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閼?yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié),這樣在應(yīng)用程序看來,硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件,應(yīng)用程序可以象操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分,它完成以下的功能:
1、對(duì)設(shè)備初始化和釋放;
2、把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù);
3、讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請(qǐng)求的數(shù)據(jù);
4、檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯(cuò)誤。
在linux操作系統(tǒng)下有三類主要的設(shè)備文件類型,一是字符設(shè)備,二是塊設(shè)備,三是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。字符設(shè)備和塊設(shè)備的主要區(qū)別是:在對(duì)字符設(shè)備發(fā)出讀/寫請(qǐng)求時(shí),實(shí)際的硬件I/O一般就緊接著發(fā)生了,塊設(shè)備則不然,它利用一塊系統(tǒng)內(nèi)存作緩沖區(qū),當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)設(shè)備請(qǐng)求能滿足用戶的要求,就返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù),如果不能,就調(diào)用請(qǐng)求函數(shù)來進(jìn)行實(shí)際的I/O操作。塊設(shè)備是主要針對(duì)磁盤等慢速設(shè)備設(shè)計(jì)的,以免耗費(fèi)過多的CPU時(shí)間來等待。
已經(jīng)提到,用戶進(jìn)程是通過設(shè)備文件來與實(shí)際的硬件打交道。每個(gè)設(shè)備文件都都有其文件屬性(c/b),表示是字符設(shè)備還是塊設(shè)備?另外每個(gè)文件都有兩個(gè)設(shè)備號(hào),第一個(gè)是主設(shè)備號(hào),標(biāo)識(shí)驅(qū)動(dòng)程序,第二個(gè)是從設(shè)備號(hào),標(biāo)識(shí)使用同一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的不同的硬件設(shè)備,比如有兩個(gè)軟盤,就可以用從設(shè)備號(hào)來區(qū)分他們。設(shè)備文件的的主設(shè)備號(hào)必須與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在登記時(shí)申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)一致,否則用戶進(jìn)程將無法訪問到驅(qū)動(dòng)程序。
最后必須提到的是,在用戶進(jìn)程調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入核心態(tài),這時(shí)不再是搶先式調(diào)度。也就是說,系統(tǒng)必須在你的驅(qū)動(dòng)程序的子函數(shù)返回后才能進(jìn)行其他的工作。如果你的驅(qū)動(dòng)程序陷入死循環(huán),不幸的是你只有重新啟動(dòng)機(jī)器了,然后就是漫長的fsck。
二、實(shí)例剖析
我們來寫一個(gè)最簡單的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。雖然它什么也不做,但是通過它可以了解Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的工作原理。把下面的C代碼輸入機(jī)器,你就會(huì)獲得一個(gè)真正的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
由于用戶進(jìn)程是通過設(shè)備文件同硬件打交道,對(duì)設(shè)備文件的操作方式不外乎就是一些系統(tǒng)調(diào)用,如 open,read,write,close…, 注意,不是fopen, fread,但是如何把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來呢?這需要了解一個(gè)非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):
structfile_operations{int(*seek)(structinode*,structfile*,off_t,int);int(*read)(structinode*,structfile*,char,int);int(*write)(structinode*,structfile*,off_t,int);int(*readdir)(structinode*,structfile*,structdirent*,int);int(*select)(structinode*,structfile*,int,select_table*);int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsinedint,unsignedlong);int(*mmap)(structinode*,structfile*,structvm_area_struct*);int(*open)(structinode*,structfile*);int(*release)(structinode*,structfile*);int(*fsync)(structinode*,structfile*);int(*fasync)(structinode*,structfile*,int);int(*check_media_change)(structinode*,structfile*);int(*revalidate)(dev_tdev);}
這個(gè)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)成員的名字都對(duì)應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用。用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用在對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行諸如read/write操作時(shí),系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號(hào)找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,然后讀取這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的函數(shù)指針,接著把控制權(quán)交給該函數(shù)。這是linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序工作的基本原理。既然是這樣,則編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作就是編寫子函數(shù),并填充file_operations的各個(gè)域。
下面就開始寫子程序。
#include
這個(gè)函數(shù)是為read調(diào)用準(zhǔn)備的。當(dāng)調(diào)用read時(shí),read_test()被調(diào)用,它把用戶的緩沖區(qū)全部寫1。buf 是read調(diào)用的一個(gè)參數(shù)。它是用戶進(jìn)程空間的一個(gè)地址。但是在read_test被調(diào)用時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入核心態(tài)。所以不能使用buf這個(gè)地址,必須用__put_user(),這是kernel提供的一個(gè)函數(shù),用于向用戶傳送數(shù)據(jù)。另外還有很多類似功能的函數(shù)。請(qǐng)參考,在向用戶空間拷貝數(shù)據(jù)之前,必須驗(yàn)證buf是否可用。這就用到函數(shù)verify_area。為了驗(yàn)證BUF是否可以用。
staticintwrite_test(structinode*inode,structfile*file,constchar*buf,intcount){returncount;}staticintopen_test(structinode*inode,structfile*file){MOD_INC_USE_COUNT;模塊計(jì)數(shù)加以,表示當(dāng)前內(nèi)核有個(gè)設(shè)備加載內(nèi)核當(dāng)中去return0;}staticvoidrelease_test(structinode*inode,structfile*file){MOD_DEC_USE_COUNT;}
這幾個(gè)函數(shù)都是空操作。實(shí)際調(diào)用發(fā)生時(shí)什么也不做,他們僅僅為下面的結(jié)構(gòu)提供函數(shù)指針。
structfile_operationstest_fops={?read_test,write_test,open_test,release_test,};
設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主體可以說是寫好了?,F(xiàn)在要把驅(qū)動(dòng)程序嵌入內(nèi)核。驅(qū)動(dòng)程序可以按照兩種方式編譯。一種是編譯進(jìn)kernel,另一種是編譯成模塊(modules),如果編譯進(jìn)內(nèi)核的話,會(huì)增加內(nèi)核的大小,還要改動(dòng)內(nèi)核的源文件,而且不能動(dòng)態(tài)的卸載,不利于調(diào)試,所以推薦使用模塊方式。
intinit_module(void){intresult;result=register_chrdev(0,"test",&test_fops);對(duì)設(shè)備操作的整個(gè)接口if(result0)?{?printk(KERN_INFO?"test:?can't?get?major?number ");?return?result;?}?if?(test_major?==?0)?test_major?=?result;?/*?dynamic?*/?return?0;?}
在用insmod命令將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)存時(shí),init_module 函數(shù)被調(diào)用。在這里,init_module只做了一件事,就是向系統(tǒng)的字符設(shè)備表登記了一個(gè)字符設(shè)備。register_chrdev需要三個(gè)參數(shù),參數(shù)一是希望獲得的設(shè)備號(hào),如果是零的話,系統(tǒng)將選擇一個(gè)沒有被占用的設(shè)備號(hào)返回。參數(shù)二是設(shè)備文件名,參數(shù)三用來登記驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H執(zhí)行操作的函數(shù)的指針。
如果登記成功,返回設(shè)備的主設(shè)備號(hào),不成功,返回一個(gè)負(fù)值。
voidcleanup_module(void){unregister_chrdev(test_major,"test");}
在用rmmod卸載模塊時(shí),cleanup_module函數(shù)被調(diào)用,它釋放字符設(shè)備test在系統(tǒng)字符設(shè)備表中占有的表項(xiàng)。
一個(gè)極其簡單的字符設(shè)備可以說寫好了,文件名就叫test.c吧。
下面編譯 :
$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c –c表示輸出制定名,自動(dòng)生成.o文件
得到文件test.o就是一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
如果設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有多個(gè)文件,把每個(gè)文件按上面的命令行編譯,然后
ld ?-r ?file1.o ?file2.o ?-o ?modulename。
驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)編譯好了,現(xiàn)在把它安裝到系統(tǒng)中去。
$ insmod ?–f ?test.o
如果安裝成功,在/proc/devices文件中就可以看到設(shè)備test,并可以看到它的主設(shè)備號(hào)。要卸載的話,運(yùn)行 :
$ rmmod test
下一步要?jiǎng)?chuàng)建設(shè)備文件。
mknod /dev/test c major minor
c 是指字符設(shè)備,major是主設(shè)備號(hào),就是在/proc/devices里看到的。
用shell命令
$ cat /proc/devices
就可以獲得主設(shè)備號(hào),可以把上面的命令行加入你的shell script中去。
minor是從設(shè)備號(hào),設(shè)置成0就可以了。
我們現(xiàn)在可以通過設(shè)備文件來訪問我們的驅(qū)動(dòng)程序。寫一個(gè)小小的測試程序。
#include
編譯運(yùn)行,看看是不是打印出全1 ?
以上只是一個(gè)簡單的演示。真正實(shí)用的驅(qū)動(dòng)程序要復(fù)雜的多,要處理如中斷,DMA,I/O port等問題。這些才是真正的難點(diǎn)。上述給出了一個(gè)簡單的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)編寫的框架和原理,更為復(fù)雜的編寫需要去認(rèn)真研究LINUX內(nèi)核的運(yùn)行機(jī)制和具體的設(shè)備運(yùn)行的機(jī)制等等。希望大家好好掌握LINUX設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編寫的方法。
責(zé)任編輯:xj
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