linux字符设备驱动程序 笔记.docx
《linux字符设备驱动程序 笔记.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《linux字符设备驱动程序 笔记.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
linux字符设备驱动程序笔记
4.6linux字符设备驱动程序
[4-6-1]linux驱动程序介绍（参考课件）
驱动程序：
使硬件工作的软件。
模型一的缺点：
软件程序的复用性不好
模型二的缺点：
如果驱动程序接口变化，则所有的应用程序就必须都改
模型三：
即linux驱动程序驱动模型：
如图“使用驱动程序所示”。
解决了上述两种模型的缺点。
linux驱动程序的分类：
◎字符设备驱动（重点）
◎网络接口驱动（重点）
◎块设备驱动
1）字符设备：
字符设备是一种按字节来访问的设备，字符驱动则负责驱动字符设备，这样的驱动通
常实现open，close，read和write系统调用。
2）块设备：
◎在大部分unix系统，块设备不能按字节处理数据，只能一次传送一个或多个长度是
512字节（或一个更大的2次幂的数）的整块数据。
◎而Linux则允许块设备传送任意数目的字节。
因此块和字符设备的区别：
仅仅是驱动的接口函数与内核的接口函数不同。
3）网络接口：
任何网络事物都通过一个接口来进行，一个接口通常是一个硬件（eth0），但它也可以
是一个纯粹的软件设备，比如回环接口（lo）。
一个网络接口负责发送和接收数据报文。
字符设备与块设备：
随机访问？
块设备随机访问，字符设备必须按顺序访问
驱动程序安装方式：
有两种
◎模块方式（已知）（insmod,rmmod）
◎直接编译进内核
如何直接把驱动程序（内核模块）编译进内核？
需要修改两个文件：
Kconfig，Makefile（Kconfig用来产生配置菜单，到处有Kconfig）：
第一步：
首先把驱动程序或内核模块源文件（hello.c）放到内核源代码相应的目录下（根据
功能选择目录）（如drivers/char下）
第二步：
修改Kconfig，修改所放源文件目录下的Kconfig，在内核源代码的顶层目录执行：
vidrivers/char/Kconfig（打开Kconfig），然后在其中加上如下两行代码（照着写）：
configHELLO_WORLD
Bool“helloworld”
第三步：
通过makemenuconfigARCH=arm进入配置菜单，选中刚添加（要编译进内核）
的项。
配置结果体现在（.config）中，.config文件位于内核源代码顶层目录下，通
过vi.config可以查看。
可以看到：
CONFIG_HELLO_WORLD=y
第四步：
修改Makefile，修改所放源文件目录下的Makefile。
照着写
obj-$（CONFIG_HELLO_WORLD）+=hello.o（加上这一项，hello.c）
第五步：
编译内核。
修改好后，回到内核源代码顶层目录执行如下命令编译内核。
：
maleuImageARCH=armCROSS_COMPILE=arm-linux-
*****************************hello.c代码如下：
**********************************
#include
#include
staticint__inithello_init（）
{
printk（"helloworld!
\n"）;
return0;
}
staticvoid__exithello_exit（）
{
printk（KERN_EMERG"helloexit!
\n"）;
}
module_init（hello_init）;
module_exit（hello_exit）;
*****************************************************************************
编译完成启动内核的过程中，会打印出：
HelloWorld！
信息。
因为执行了模块初始化函数。
__init标志表示此函数将被放置到初始化代码段；内核在启动时，会依次调用初始化代码段中的函数指针。
__exit类似。
驱动程序使用：
linux用户程序通过设备文件（也称：
设备节点）来使用驱动程序操作字符设备和块设备（根据*fp找到在内核里面对应的sturctfile结构，从而找到相应的read，write函数）
网络设备没有设备文件，设备文件在dev目录下面。
[4-6-2]字符设备驱动程序设计（参考课件）
1、主次设备号
字符设备通过字符设备文件来存取。
字符设备文件由使用ls–l命令后输出的第一列的“c”标识。
在dev目录下使用ls–l命令可以看到设备文件项中有2个数字，由逗号分隔，这些数字就是设备文件的主次设备编号。
前主后次。
1.1设备号的作用
思考：
字符设备文件与字符设备驱动如何建立联系？
——通过主设备号
设备文件所对应的主设备号和驱动程序所对应的主设备号相同的话，那么这个驱动程序就对应这个设备文件。
（设备文件的主设备号通过创建设定，驱动程序通过申请获得）
主设备号：
用来标识与设备文件相连的驱动程序。
次设备号：
被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备。
总结：
主设备号用来反映设备类型；次设备号用来区分同类型的设备。
主次设备号的描述：
内核描述
内核中通过类型dev_t来描述设备号，其实质是unsignedint32位整数，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号。
◎分离出主设备号MAJOR（dev_tdev）；
◎分离出次设备号MINOR（dev_tdev）
◎定义主次设备号dev_tdevno=MKDEV（mem_major,mem_minor）
1.2分配主设备号
Linux内核通过静态申请和动态分配两种方法来给设备分配主设备号。
1.2.1静态申请（简单但易导致冲突）
方法如下：
1、根据Documentation/deices.txt，确定一个没有使用的主设备号；
2、使用register_chrdev_region函数注册设备号。
优点：
简单，
缺点：
一旦驱动程序被广泛使用，这个随机选定的主设备号可能会导致设备号冲突，而使驱
动程序无法注册。
原型：
intregister_chrdev_region（dev_tfrom,unsignedcount,constchar*name）
功能：
申请使用从from开始的count个设备号（主设备号不变，次设备号增加）
参数：
from：
希望申请使用的设备号
count：
希望申请使用的设备号数目
name：
设备名（体现在/proc/devices）
1.2.2动态分配（简单，但无法在安装驱动前创建设备文件，因为安装前还没有分配到主设备号）
方法如下：
使用alloc_chrdev_region分配设备号
原型：
intalloc_chrdev_region（dev_t*dev,unsignedbaseminor,unsignedcount,constchar*name）
功能：
请求内核动态分配count个设备号，且次设备号从baseminor开始。
参数：
dev：
分配到的设备号位于dev指针所指向的内存中。
，不需要填值，用于获取值
baseminor：
起始次设备号
count：
需要分配的设备号数目
name：
设备名（体现在/proc/devices）
优点：
简单，易于驱动推广
缺点：
无法在安装驱动前创建设备文件（因为安装前还没有分配到主设备号）
解决办法：
安装驱动后，从/proc/devices中查询设备号，然后再创建设备文件。
1.3注销设备号（不用时应该释放这些设备号）
原型：
voidunregister_chrdev_region（dev_tfrom,unsignedcount）
功能：
释放从from开始的count个设备号
2、创建设备文件——2种方法：
2.1、使用mknod命令手工创建
用法：
mknodfilenametypemajorminor
参数：
filename：
设备文件名
type：
设备文件类型“c”，“b”
major：
主设备号
minor：
次设备号
例如：
mknodserial0c1000//设备文件的主次设备号是确定的，一个设备文件只能对应一个
设备。
要操作哪个设备，首先要创建对应主次设备号的设备文件，再操作此设备文件。
2.2、自动创建——后面课程介绍
3、重要结构
在Linux字符设备驱动程序设计中，有三种非常重要的内核数据结构：
3.1、structfile：
代表一个打开的文件。
系统中每个打开的文件在内核空间都有一个关联的structfile。
它由内核在打开文件时创建，在文件关闭后释放。
（每打开一次创建一个）
重要成员：
loff_tf_pos/*文件读写位置*/
structfile_operations*f_op
3.2、structinode：
用来记录文件的物理上的信息（如存放位置、设备号等）。
因此它和代表打开文件的file结构是不同的，一个文件可以对应多个file结构，但只有一个inode结构。
重要成员：
dev_ti_rdev：
设备号//inode代表设备文件（设备节点）？
3.3、structfile_operations：
一个函数指针的集合（更像一个转化表），定义能在设备上进行的操作。
结构中的成员指向驱动中的函数，这些函数实现一个特殊的操作，对于不支持的操作保留为NULL。
structfile_operationsmem_fops={
.owner=THIS_MODULE,
.llseek=mem_seek,
.read=mem_read,
.write=mem_write,
.ioctl=mem_ioctl,
.open=mem_open,
.release=mem_release,
};
思考：
应用程序如何访问驱动程序？
解析：
当应用程序执行read系统调用，对设备文件进行读的时候，驱动程序就会做出mem_read函数调用。
当应用程序执行write系统调用，对设备文件进行写的时候，驱动程序就会做出mem_write函数调用。
把应用程序中对文件的操作转化成驱动程序中相应的函数。
（内核根据应用程序系统调用中传递的*fp指针找到在内核里面对应的sturctfile结构，从而找到驱动程序中相应的read，write函数）
4、设备注册
在linux2.6内核中，字符设备使用structcdev结构来描述。
字符设备的注册分为如下三个步骤：
4.1、分配cdev，分配空间：
分配是对于指针而言，静态的不需要分配
structcdev的分配可使用cedv_alloc函数来完成。
原型：
structcdev*cdev_alloc（void）。
分配完成后返回分配到的structcdev函数指针
注意：
如果cdev结构被定义为静态的，则不需要执行空间分配。
4.2、初始化cdev结构
structcdev的初始化可使用cedv_init函数来完成。
原型：
voidcdev_init（structcedv*cdev,conststructfile_operations*fops）
参数：
cdev：
待初始化的cdev结构
fops：
设备对应的操作函数集
4.3、添加cdev（即注册字符设备驱动）
structcdev的注册可使用cedv_add函数来完成。
原型：
intcdev_add（structcdev*p,dev_tdev,unsignedcount）
参数：
p：
待添加到内核的字符设备结构，要注册的字符设备
dev：
设备号，驱动程序对应的主设备号
count：
添加的设备个数
5、设备操作（注册完之后要实现structfile_operations结构中相关的设备操作）
◎1、int（*open）（structinode*,structfile*）对应open方法
在设备文件上的第一操作，可以不实现此方法，没有（即该项为NULL）时则认为永
远打开成功。
◎2、void（*release）（structinode*,structfile*）对应close方法
当设备文件被关闭时调用这个操作。
release也可以没有。
◎3、ssize_t（*read）（structfile*,char__user*,size_t,loff_t*）
从设备中读取数据
◎4、ssize_t（*write）（structfile*,constchar__user*,size_t,loff_t*）
向设备发送数据
◎5、unsignedint（*poll）（structfile*,structpoll_table_struct*）
对应select系统调用
◎6、int（*ioctl）（structinode*,structfile*,unsignedint,unsignedlong）
控制设备
◎7、int（*mmap）（structfile*,structvm_area_struct*）
将设备映射到进程虚拟地址空间中。
◎8、off_t（*llseek）（structfile*,loff_t,int）
修改文件的当前读写位置，并将新位置作为返回值。
open方法：
open方法是驱动程序用来为以后的操作完成初始化准备工作的。
在大部分驱动程序中，open完成如下工作：
◎初始化设备，设置寄存器等。
◎标明次设备号，这样驱动程序才知道操作哪个设备。
/*将设备描述结构指针赋值给文
件私有数据指针，然后在读写操作函数中就能知道该操作哪个设备*/
release方法：
release方法的作用正好与open相反。
这个设备方法有时也称为close，它应该：
◎关闭设备
读和写方法：
读和写方法都完成类似的工作：
从设备中读取数据到用户空间；将数据传递给驱动程序。
它们的原型也相当类似：
原型：
ssize_txxx_read（structfile*filp,char__user*buff,size_tcount,loff_t*offp）;
原型：
ssize_txxx_write（structfile*filp,char__user*buff,size_tcount,loff_t*offp）;
参数：
对于这两个方法，其参数含义如下：
filp是文件指针，内核构造后传给此函数的
count是请求传输的数据量。
来自用户空间
buff参数指向数据缓存。
来自用户空间
offp支出文件当前的访问位置。
来自内核
问题：
read和write方法的buff参数是用户空间指针。
因此，他不能被内核代码直接引用。
理由如下：
用户控件的指针在内核空间可能根本是无效的——没有那个地址的映射。
解决：
内核提供了专门的函数用于访问用户空间的指针，例如：
写：
intcopy_from_user（void*to,constvoid__user*from,intn）
数据从用户空间放到设备里面去
读：
intcopy_to_user（void__user*to,constvoid*from,intn）
从设备里面读，数据从设备到用户空间，
6、设备注销：
当不再使用驱动程序的时候应该把驱动程序注销掉。
字符设备的注销使用cdev_del函数来完成。
原型：
intcdev_del（structcdev*p）
参数：
p：
要注销的字符设备结构
[4-6-3]字符设备驱动程序实例分析memdev.cmemdev.happ-mem.c
[4-6-4]竞争与互斥
4.1驱动调试技术：
对于驱动程序设计来说，核心问题之一就是如何完成调试。
当前常用的驱动调试技术可分为：
◎打印调试：
printk
◎调试器调试：
gdb
◎查询调试：
proc文件系统
合理使用printk
应该使用全局打开或关闭printk打印的宏开关来控制是否使用printk。
#ifdefPDEBUG
#definePLOG（fmt,args…）printk（KERN_DEBUG“scull:
”fmt,##args）
#else
#definePLOG（fmt,args…）/*donothing*/
#endif
Makefile做如下修改：
DEBUG=y
ifeq（$（DEBUG）,y）
DEBFLAGS=-O2–g–DPDEBUG
else
DEBFLAGS=-O2
endif
CFLAFS+=$（DEBFLAGS）
4.2并发控制：
4.2.1概念：
并发与竞态
并发：
多个执行单元同时被执行
竞态：
并发的执行单元对共享资源（硬件资源和软件上的全局变量等）的访问导致的竞争状态
例：
if（copy_from_user（&（dev->data[pos]）,buf,count））
ret=-EFAULT;
gotoout;
假设有2个进程试图同时向一个设备的相同位置写入数据，就会造成数据混乱。
4.2.2并发控制技术：
处理并发的常用技术是加锁或者互斥，即确保在任何时候只有一个执行单元可以操作共享资源。
在linux内核中主要通过semaphore机制和spin_lock机制实现。
4.2.2.1信号量：
linux内核的信号量在概念和原理上与用户态的信号量是一样的，但是它不能在内核之外使用，它是一种睡眠锁。
如果有一个任务想要获得已经被占用的信号量时，信号量会将这个进程放入一个等待队列，然后让其睡眠。
当持有信号量的进程将信号释放以后，处于等待队列中的任务将被唤醒，并让其获得信号量。
◎信号量在创建时需要设置一个初始值，表示允许可以有几个任务同时访问该信号量保护的资源，初始值为1就变成互斥锁（Mutex），即同时只能有一个任务可以访问信号量保护的资源。
◎当任务访问完被信号量保护的共享资源后，就必须释放信号量，释放信号量通过把信号量的值加1实现，如果释放后信号量的值为非正数，表明有任务等待当前信号量，因此要唤醒等待该信号量的任务。
信号量的使用
信号量的实现也是与体系结构相关的，定义在中，structsemaphore类型用来表示信号量。
1、定义信号量
◎structsemaphoresem;
2、初始化信号量
◎voidsema_init（structsemaphore*sem,intval）
该函数用于初始化设置信号量的初值，它设置信号量sem的值为val。
◎voidinit_MUTEX（structsemaphore*sem）
该函数用于初始化一个互斥锁，即把信号量sem的值设置为1。
互斥锁的值只能为0或者1
◎voidinit_MUTEX_LOCKED（structsemaphore*sem）
该函数也用于初始化一个互斥锁，但它把信号量sem的值设置为0，
即一开始就处在已锁状态。
定义与初始化的工作可以由如下宏一步完成：
◎DECLARE_MUTEX（name）
定义一个信号量name，并初始化它的值为1。
◎DECLARE_MUTEX_LOCKED（name）
定义一个信号量name，但把它的初始值设置为0，即锁在创建时就处在已锁状态。
3、获取信号量
◎voiddown（structsemaphore*sem）
获取信号量sem，可能会导致进程睡眠，因此不能在中断上下文使用该函数。
该函数将
把sem的值减1，如果信号量sem的值非负，就直接返回，否则调用者将被挂起，直到
别的任务释放该信号量才能继续运行。
◎intdown_interruptible（structsemaphore*sem）
获取信号量sem。
如果信号量不可用，进程将被置为TASK_INTERRUPTIBLE类型的睡
眠状态。
该函数由返回值来区分是正常返回还是被信号中断返回，如果返回0，表示获
得的信号量正常返回，如果被信号打断，返回-EINTR。
◎down_killable（structsemaphore*sem）
获取信号量sem。
如果信号量不可用，进程将被置为TASK_KILLABLE类型的睡眠状态。
注：
down（）函数现已不建议继续使用。
建议使用down_killable（）或down_interruptible（）函数。
4、释放信号量
voidup（structsemaphore*sem）
该函数释放信号量sem，即把sem的值加1，如果sem的值为非正数，表明有任务在等
待该信号量，因此唤醒这些等待者。
4.2.2.2自旋锁
自旋锁最多只能被一个可执行单元持有。
自旋锁不会引起调用者睡眠，如果有一个执行线程试图获得一个已经被持有的自旋锁，那么线程就会一直进行忙循环，一直等待下去，在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，“自旋”就是这个意思。
自旋锁的使用
1、初始化自旋锁
◎spin_lock_init（x）
该宏用于初始化自旋锁x，自旋锁在使用前必须先初始化。
2、获取自旋锁
◎spin_lock（lock）
获取自旋锁lock，如果成功，立即获得锁，并马上返回，否则它将一直自旋在那里，直
到该自旋锁的保持者释放。
◎spin_trylock（lock）
试图获取自旋锁lock，如果能立即获得锁，并返回真，否则立即返回假。
它不会一直等
待被释放。
3、释放自旋锁
◎spin_unlock（lock）
释放自旋锁lock，它与spin_trylock或spin_lock配对使用。
4.2.2.3信号量与自旋锁对比
◎信号量可能允许有多个持有者，而自旋锁在任何时候只能允许有一个持有者。
当然也有
信号量叫互斥信号量（只有一个持有者），允许有多个持有者的信号量叫计数信号量。
◎信号量适合于保持时间较长的情况；而自旋锁适合于保持时间非常短的情况，在实际应
用中自旋锁控制的代码只有几行，而持有自旋锁的时间也一般不会超过两次上下文切换
的时间，因为线程一旦要进行切换，就至少花费切出切入两次，自旋锁的占用时间如果
远远长于两次上下文切换，我们就应该选择信号量。
升级会员 