深入浅出驱动开发Word格式.docx

1、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），如下图：深入浅出Linux设备驱动编程之内核模块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linux/i

2、nit.h / init&exit相关宏MODULE_LICENSE（GPL）;static int _init hello_init （void）printk（Hello module initnreturn 0;static void _exit hello_exit （void）Hello module exitnmodule_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mo

3、dule_exit使用前定义，否则会出现编译错误。程序中的MODULE_LICENSE（）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 -o hello.o hello.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

4、相反过程：rmmod hello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（unsigned int len, int priority）;void kfree（void *_ptr）;kmalloc

5、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）：unsigned long copy_from_user（void *to, const void *from, unsigned long n）;unsigned long copy_to_user

6、 （void * to, void * from, unsigned long len）;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

7、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int console_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

8、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-maxb,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：insmod modname var=value如果用户未指定参数，var将使用模块内定义的缺省值。深入浅出Linux设备驱动之字符设备驱动程序Linux下的设备驱动程序被组织为

9、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int global_var，而这个设备的名字叫做gobalvar。对设备的读写等操作即是对其中全局变量glo

10、bal_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：static int _init gobalvar_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,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

11、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（）：static void _exit gobalvar_exit（void）if （unregister_chrdev（MAJOR_NUM, ）/卸载失败/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

12、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）（struct inode * ,struct file *）;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）

13、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） （struct inode * ,struct file *） ;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） （struct file *, char *, size

14、_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（Invalid argument，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signed size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：static ssize_t globalvar_read（struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off）copy_to_user（buf, &global

15、_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） （struct file *, const char *, 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：static ssize_t globalvar_write（struct file *filp, c

16、onst char *buf, size_t len, 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） （struct inode * ,struct file * ,unsigned int ,unsigned long）;unsigned int参数为设备驱动程序要执行的命令的代码，由用户自定义，unsigned long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

17、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，No such ioctl fordevice，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） （struct file *, 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：unsigned int （*

18、poll） （struct file *, struct poll_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，因此设备的基本入口点结构变量gobalvar_fops 赋值如下：struct file_operations gobalvar_fops = read: gobalvar_read,write: gobalvar_write,;上述代码中对gobal

19、var_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：linux/fs.hasm/uaccess.h#define MAJOR_NUM 254 /主设备号static ssize_t globalvar_read（struct file *, char *, size_t, loff_t*）;static ssize_t globalvar_write（struct file *, const char *, size_t, loff_t*）;/初始化字符设备驱动的file_operations结构体struct file_opera

20、tions globalvar_fops = globalvar_read, write: globalvar_write,static int global_var = 0; /globalvar设备的全局变量static int _init globalvar_init（void）int ret;/注册设备驱动ret = register_chrdev（MAJOR_NUM, globalvar_fops）;if （ret）printk（globalvar register failureglobalvar register successreturn ret;static void _ex

21、it globalvar_exit（void）/注销设备驱动ret = unregister_chrdev（MAJOR_NUM, globalvar unregister failureglobalvar unregister success/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; return sizeof（int）;/将用户空间的数据复制到内核空间的global_varif （copy_from_user（&global_var, buf, sizeof（in

22、t）module_init（globalvar_init）;module_exit（globalvar_exit）;运行：gcc -D_KERNEL_ -DMODULE -DLINUX -I /usr/local/src/linux2.4/include -c -o globalvar.o globalvar.c编译代码，运行：inmod globalvar.o加载globalvar模块，再运行：cat /proc/devices发现其中多出了254 globalvar一行，如下图：接着我们可以运行：mknod /dev/globalvar c 254 0创建设备节点，用户进程通过/dev/g

23、lobalvar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：sys/types.h /访问_LP64和_ILP32的定义，还包含适当时使用的多个基本派生类型：clock_t,dev_t,off_t,ptrdiff,size_t,ssize_t,time_tsys/stat.h /获得文件的属性，它可以返回一个结构，里面包含文件全部属性stdio.hfcntl.h /设备驱动程序接口是由结构说明，它定义在fcntl.h中main（）int fd, num;/打开/dev/globalvarfd = open（, O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR）; /这个函数就是告诉系统，应用程 序要以读写的方式打开/dev/globalvar这个设备, 然后系统再查找相应的驱动程序内的open函数打开设备if （fd != -1 ）/初次读globalvarread（fd, &num, sizeof（int）;printf（The globalvar is %dn, num）;/写globalvar