linux设备驱动程序入门.docx
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linux设备驱动程序入门
目前,Linux软件工程师大致可分为两个层次:
(1)Linux应用软件工程师(ApplicationSoftwareEngineer):
主要利用C库函数和LinuxAPI进行应用软件的编写;
(2)Linux固件工程师(FirmwareEngineer):
主要进行Bootloader、Linux的移植及Linux设备驱动程序的设计。
一般而言,固件工程师的要求要高于应用软件工程师的层次,而其中的Linux设备驱动编程又是Linux程序设计中比较复杂的部分,究其原因,主要包括如下几个方面:
(1)设备驱动属于Linux内核的部分,编写Linux设备驱动需要有一定的Linux操作系统内核基础;
(2)编写Linux设备驱动需要对硬件的原理有相当的了解,大多数情况下我们是针对一个特定的嵌入式硬件平台编写驱动的;
(3)Linux设备驱动中广泛涉及到多进程并发的同步、互斥等控制,容易出现bug;
(4)由于属于内核的一部分,Linux设备驱动的调试也相当复杂。
目前,市面上的Linux设备驱动程序参考书籍非常稀缺,少有的经典是由Linux社区的三位领导者JonathanCorbet、AlessandroRubini、GregKroah-Hartman编写的《LinuxDeviceDrivers》(目前该书已经出版到第3版,中文译本由中国电力出版社出版)。
该书将Linux设备驱动编写技术进行了较系统的展现,但是该书所列举实例的背景过于复杂,使得读者需要将过多的精力投放于对例子背景的理解上,很难完全集中精力于Linux驱动程序本身。
往往需要将此书翻来覆去地研读许多遍,才能有较深的体会。
本文将仍然秉承《LinuxDeviceDrivers》一书以实例为主的风格,但是实例的背景将非常简单,以求使读者能将集中精力于Linux设备驱动本身,理解Linux内核模块、Linux设备驱动的结构、Linux设备驱动中的并发控制等内容。
另外,与《LinuxDeviceDrivers》所不同的是,针对设备驱动的实例,本文还给出了用户态的程序来访问该设备,展现设备驱动的运行情况及用户态和内核态的交互。
相信阅读完本文将为您领悟《LinuxDeviceDrivers》一书中的内容打下很好的基础。
本文中的例程除引用的以外皆由笔者亲自调试通过,主要基于的内核版本为Linux2.4,例子要在其他内核上运行只需要做少量的修改。
构建本文例程运行平台的一个较好方法是:
在Windows平台上安装VMWare虚拟机,并在VMWare虚拟机上安装RedHat。
注意安装的过程中应该选中"开发工具"和"内核开发"二项(如果本文的例程要在特定的嵌入式系统中运行,还应安装相应的交叉编译器,并包含相应的Linux源代码)。
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Linux设备驱动属于内核的一部分,Linux内核的一个模块可以以两种方式被编译和加载:
(1)直接编译进Linux内核,随同Linux启动时加载;
(2)编译成一个可加载和删除的模块,使用insmod加载(modprobe和insmod命令类似,但依赖于相关的配置文件),rmmod删除。
这种方式控制了内核的大小,而模块一旦被插入内核,它就和内核其他部分一样。
下面我们给出一个内核模块的例子:
#include//所有模块都需要的头文件
#include//init&exit相关宏
MODULE_LICENSE("GPL");
staticint__inithello_init(void)
{
printk("Hellomoduleinit\n");
return0;
}
staticvoid__exithello_exit(void)
{
printk("Hellomoduleexit\n");
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
分析上述程序,发现一个Linux内核模块需包含模块初始化和模块卸载函数,前者在insmod的时候运行,后者在rmmod的时候运行。
初始化与卸载函数必须在宏module_init和module_exit使用前定义,否则会出现编译错误。
程序中的MODULE_LICENSE("GPL")用于声明模块的许可证。
如果要把上述程序编译为一个运行时加载和删除的模块,则编译命令为:
gcc-D__KERNEL__-DMODULE-DLINUX-I/usr/local/src/linux2.4/include-c-ohello.ohello.c
由此可见,Linux内核模块的编译需要给gcc指示-D__KERNEL__-DMODULE-DLINUX参数。
-I选项跟着Linux内核源代码中Include目录的路径。
下列命令将可加载hello模块:
insmod./hello.o
下列命令完成相反过程:
rmmodhello
如果要将其直接编译入Linux内核,则需要将源代码文件拷贝入Linux内核源代码的相应路径里,并修改Makefile。
我们有必要补充一下Linux内核编程的一些基本知识:
内存
在Linux内核模式下,我们不能使用用户态的malloc()和free()函数申请和释放内存。
进行内核编程时,最常用的内存申请和释放函数为在include/linux/kernel.h文件中声明的kmalloc()和kfree(),其原型为:
void*kmalloc(unsignedintlen,intpriority);
voidkfree(void*__ptr);
kmalloc的priority参数通常设置为GFP_KERNEL,如果在中断服务程序里申请内存则要用GFP_ATOMIC参数,因为使用GFP_KERNEL参数可能会引起睡眠,不能用于非进程上下文中(在中断中是不允许睡眠的)。
由于内核态和用户态使用不同的内存定义,所以二者之间不能直接访问对方的内存。
而应该使用Linux中的用户和内核态内存交互函数(这些函数在include/asm/uaccess.h中被声明):
unsignedlongcopy_from_user(void*to,constvoid*from,unsignedlongn);
unsignedlongcopy_to_user(void*to,void*from,unsignedlonglen);
copy_from_user、copy_to_user函数返回不能被复制的字节数,因此,如果完全复制成功,返回值为0。
include/asm/uaccess.h中定义的put_user和get_user用于内核空间和用户空间的单值交互(如char、int、long)。
这里给出的仅仅是关于内核中内存管理的皮毛,关于Linux内存管理的更多细节知识,我们会在本文第9节《内存与I/O操作》进行更加深入地介绍。
输出
在内核编程中,我们不能使用用户态C库函数中的printf()函数输出信息,而只能使用printk()。
但是,内核中printk()函数的设计目的并不是为了和用户交流,它实际上是内核的一种日志机制,用来记录下日志信息或者给出警告提示。
每个printk都会有个优先级,内核一共有8个优先级,它们都有对应的宏定义。
如果未指定优先级,内核会选择默认的优先级DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL。
如果优先级数字比intconsole_loglevel变量小的话,消息就会打印到控制台上。
如果syslogd和klogd守护进程在运行的话,则不管是否向控制台输出,消息都会被追加进/var/log/messages文件。
klogd只处理内核消息,syslogd处理其他系统消息,比如应用程序。
模块参数
2.4内核下,include/linux/module.h中定义的宏MODULE_PARM(var,type)用于向模块传递命令行参数。
var为接受参数值的变量名,type为采取如下格式的字符串[min[-max]]{b,h,i,l,s}。
min及max用于表示当参数为数组类型时,允许输入的数组元素的个数范围;b:
byte;h:
short;i:
int;l:
long;s:
string。
在装载内核模块时,用户可以向模块传递一些参数:
insmodmodnamevar=value
如果用户未指定参数,var将使用模块内定义的缺省值。
Linux下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合,通过这些函数使得Windows的设备操作犹如文件一般。
在应用程序看来,硬件设备只是一个设备文件,应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作,如open()、close()、read()、write()等。
Linux主要将设备分为二类:
字符设备和块设备。
字符设备是指设备发送和接收数据以字符的形式进行;而块设备则以整个数据缓冲区的形式进行。
字符设备的驱动相对比较简单。
下面我们来假设一个非常简单的虚拟字符设备:
这个设备中只有一个4个字节的全局变量intglobal_var,而这个设备的名字叫做"gobalvar"。
对"gobalvar"设备的读写等操作即是对其中全局变量global_var的操作。
驱动程序是内核的一部分,因此我们需要给其添加模块初始化函数,该函数用来完成对所控设备的初始化工作,并调用register_chrdev()函数注册字符设备:
staticint__initgobalvar_init(void)
{
if(register_chrdev(MAJOR_NUM,"gobalvar",&gobalvar_fops))
{
//…注册失败
}
else
{
//…注册成功
}
}
其中,register_chrdev函数中的参数MAJOR_NUM为主设备号,"gobalvar"为设备名,gobalvar_fops为包含基本函数入口点的结构体,类型为file_operations。
当gobalvar模块被加载时,gobalvar_init被执行,它将调用内核函数register_chrdev,把驱动程序的基本入口点指针存放在内核的字符设备地址表中,在用户进程对该设备执行系统调用时提供入口地址。
与模块初始化函数对应的就是模块卸载函数,需要调用register_chrdev()的"反函数"unregister_chrdev():
staticvoid__exitgobalvar_exit(void)
{
if(unregister_chrdev(MAJOR_NUM,"gobalvar"))
{
//…卸载失败
}
else
{
//…卸载成功
}
}
随着内核不断增加新的功能,file_operations结构体已逐渐变得越来越大,但是大多数的驱动程序只是利用了其中的一部分。
对于字符设备来说,要提供的主要入口有:
open()、release()、read()、write()、ioctl()、llseek()、poll()等。
open()函数 对设备特殊文件进行open()系统调用时,将调用驱动程序的open()函数:
int(*open)(structinode*,structfile*);
其中参数inode为设备特殊文件的inode(索引结点)结构的指针,参数file是指向这一设备的文件结构的指针。
open()的主要任务是确定硬件处在就绪状态、验证次设备号的合法性(次设备号可以用MINOR(inode->i-rdev)取得)、控制使用设备的进程数、根据执行情况返回状态码(0表示成功,负数表示存在错误)等;
release()函数 当最后一个打开设备的用户进程执行close()系统调用时,内核将调用驱动程序的release()函数:
void(*release)(structinode*,structfile*);
release函数的主要任务是清理未结束的输入/输出操作、释放资源、用户自定义排他标志的复位等。
read()函数 当对设备特殊文件进行read()系统调用时,将调用驱动程序read()函数:
ssize_t(*read)(structfile*,char*,size_t,loff_t*);
用来从设备中读取数据。
当该函数指针被赋为NULL值时,将导致read系统调用出错并返回-EINVAL("Invalidargument,非法参数")。
函数返回非负值表示成功读取的字节数(返回值为"signedsize"数据类型,通常就是目标平台上的固有整数类型)。
globalvar_read函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2节所介绍的函数:
staticssize_tglobalvar_read(structfile*filp,char*buf,size_tlen,loff_t*off)
{
…
copy_to_user(buf,&global_var,sizeof(int));
…
}
write()函数 当设备特殊文件进行write()系统调用时,将调用驱动程序的write()函数:
ssize_t(*write)(structfile*,constchar*,size_t,loff_t*);
向设备发送数据。
如果没有这个函数,write系统调用会向调用程序返回一个-EINVAL。
如果返回值非负,则表示成功写入的字节数。
globalvar_write函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2节所介绍的函数:
staticssize_tglobalvar_write(structfile*filp,constchar*buf,size_tlen,loff_t *off)
{
…
copy_from_user(&global_var,buf,sizeof(int));
…
}
ioctl()函数 该函数是特殊的控制函数,可以通过它向设备传递控制信息或从设备取得状态信息,函数原型为:
int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsignedint,unsignedlong);
unsignedint参数为设备驱动程序要执行的命令的代码,由用户自定义,unsignedlong参数为相应的命令提供参数,类型可以是整型、指针等。
如果设备不提供ioctl入口点,则对于任何内核未预先定义的请求,ioctl系统调用将返回错误(-ENOTTY,"Nosuchioctlfordevice,该设备无此ioctl命令")。
如果该设备方法返回一个非负值,那么该值会被返回给调用程序以表示调用成功。
llseek()函数该函数用来修改文件的当前读写位置,并将新位置作为(正的)返回值返回,原型为:
loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int);
poll()函数poll方法是poll和select这两个系统调用的后端实现,用来查询设备是否可读或可写,或是否处于某种特殊状态,原型为:
unsignedint(*poll)(structfile*,structpoll_table_struct*);
我们将在"设备的阻塞与非阻塞操作"一节对该函数进行更深入的介绍。
设备"gobalvar"的驱动程序的这些函数应分别命名为gobalvar_open、gobalvar_release、gobalvar_read、gobalvar_write、gobalvar_ioctl,因此设备"gobalvar"的基本入口点结构变量gobalvar_fops赋值如下:
structfile_operationsgobalvar_fops={
read:
gobalvar_read,
write:
gobalvar_write,
};
上述代码中对gobalvar_fops的初始化方法并不是标准C所支持的,属于GNU扩展语法。
完整的globalvar.c文件源代码如下:
#include
#include
#include
#include
MODULE_LICENSE("GPL");
#defineMAJOR_NUM254//主设备号
staticssize_tglobalvar_read(structfile*,char*,size_t,loff_t*);
staticssize_tglobalvar_write(structfile*,constchar*,size_t,loff_t*);
//初始化字符设备驱动的file_operations结构体
structfile_operationsglobalvar_fops=
{
read:
globalvar_read,write:
globalvar_write,
};
staticintglobal_var=0;//"globalvar"设备的全局变量
staticint__initglobalvar_init(void)
{
intret;
//注册设备驱动
ret=register_chrdev(MAJOR_NUM,"globalvar",&globalvar_fops);
if(ret)
{
printk("globalvarregisterfailure");
}
else
{
printk("globalvarregistersuccess");
}
returnret;
}
staticvoid__exitglobalvar_exit(void)
{
intret;
//注销设备驱动
ret=unregister_chrdev(MAJOR_NUM,"globalvar");
if(ret)
{
printk("globalvarunregisterfailure");
}
else
{
printk("globalvarunregistersuccess");
}
}
staticssize_tglobalvar_read(structfile*filp,char*buf,size_tlen,loff_t*off)
{
//将global_var从内核空间复制到用户空间
if(copy_to_user(buf,&global_var,sizeof(int)))
{
return-EFAULT;
}
returnsizeof(int);
}
staticssize_tglobalvar_write(structfile*filp,constchar*buf,size_tlen,loff_t *off)
{
//将用户空间的数据复制到内核空间的global_var
if(copy_from_user(&global_var,buf,sizeof(int)))
{
return-EFAULT;
}
returnsizeof(int);
}
module_init(globalvar_init);
module_exit(globalvar_exit);
运行:
gcc-D__KERNEL__-DMODULE-DLINUX-I/usr/local/src/linux2.4/include-c-oglobalvar.oglobalvar.c
编译代码,运行:
inmodglobalvar.o
加载globalvar模块,再运行:
cat/proc/devices
接着我们可以运行:
mknod/dev/globalvarc2540
创建设备节点,用户进程通过/dev/globalvar这个路径就可以访问到这个全局变量虚拟设备了。
我们写一个用户态的程序globalvartest.c来验证上述设备:
#include
#include
#include
#include
main()
{
intfd,num;
//打开"/dev/globalvar"
fd=open("/dev/globalvar",O_RDWR,S_IRUSR|S_IWUSR);
if(fd!
=-1)
{
//初次读globalvar
read(fd,&num,sizeof(int));
printf("Theglobalvaris%d\n",num);
//写globalvar
printf("Pleaseinputthenumwrittentoglobalvar\n");
scanf("%d",&num);
write(fd,&num,sizeof(int));
//再次读globalvar
read(fd,&num,sizeof(int));
printf("Theglobalvaris%d\n",num);
//关闭"/dev/globalvar"
close(fd);
}
else
{
printf("Deviceopenfailure\n");
}
}
编译上述文件:
gcc-oglobalvart