linux字符设备驱动程序 笔记.docx

1、linux字符设备驱动程序 笔记4.6 linux字符设备驱动程序4-6-1linux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

2、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：Kcon

3、fig，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：vi drivers/char/Kconfig（打开Kconfig），然后在其中加上如下两行代码（照着写）：config HELLO_WORLD Bool “helloworld”第三步：通过make menuconfig ARCH=arm进入配置菜单，选中刚添加（要编译进内核）的项。配置

4、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。：male uImage ARCH=armCROSS_COMPILE=arm-linux-* hello.c代码如下：*#include #include static int _in

5、it hello_init() printk(hello world!n); return 0;static void _exit hello_exit() printk(KERN_EMERG hello exit!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：Hello World！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

6、序操作字符设备和块设备（根据*fp找到在内核里面对应的sturct file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

7、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unsigned int 32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_t dev)； 分离出次设备号MINOR(dev_t dev) 定义主次设备号dev_t devno = MKDEV(mem_major, mem_minor)1.2分配主设备号Linux内核通

8、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：int register_chrdev_region(dev_t from,unsigned count,const char* 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：

9、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：int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned baseminor,unsigned count,const char *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

10、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：void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count)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：mknod file

11、name type major minor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：mknod serial0 c 100 0 /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、struct file：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struct file。它由内核在打开文件时创建，在文件关闭后释

12、放。（每打开一次创建一个）重要成员：loff_t f_pos /*文件读写位置*/struct file_operations *f_op3.2、struct inode：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_t i_rdev：设备号 /inode代表设备文件（设备节点）？3.3、struct file_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

13、作保留为NULL。struct file_operations mem_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

14、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sturct file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struct cdev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 struct cdev的分配可使用cedv_alloc函数来完成。原型：struct cdev *cdev_alloc(void)。分配完成后返回分配到的struct cdev函数指针注意：如果cdev结构被定义为静态的，则

15、不需要执行空间分配。4.2、初始化cdev结构 struct cdev的初始化可使用cedv_init函数来完成。原型：void cdev_init(struct cedv *cdev,const struct file_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）struct cdev的注册可使用cedv_add函数来完成。原型：int cdev_add(struct cdev *p,dev_t dev,unsigned count)参数：p：待添加到内核的字符设备结构，要注册的字符设备 d

16、ev：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struct file_operations结构中相关的设备操作） 1、int (*open)(struct inode *,struct file *) 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)(struct inode *,struct file *) 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)(struct file *,cha

17、r _user *,size_t,loff_t *) 从设备中读取数据 4、ssize_t(*write)(struct file *,const char _user *,size_t,loff_t *) 向设备发送数据 5、unsigned int (*poll)(struct file *,struct poll_table_struct *)对应select系统调用 6、int (*ioctl)(struct inode *,struct file *,unsigned int,unsigned long) 控制设备 7、int (*mmap)(struct file *,struct

18、 vm_area_struct *) 将设备映射到进程虚拟地址空间中。 8、off_t(*llseek)(struct file *,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

19、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_t xxx_read(struct file *filp,char _user *buff,size_t count,loff_t *offp);原型：ssize_t xxx_write(struct file *filp,char _user *buff,size_t count,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

20、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：int copy_from_user(void *to,const void _user *from,int n) 数据从用户空间放到设备里面去读：int copy_to_user(void _user *to,const void *from,int n) 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

21、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：int cdev_del(struct cdev *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.c memdev.h app-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。#ifdef PDEBUG#define PLOG(f

22、mt,args) printk(KERN_DEBUG “scull:”fmt,#args)#else#define PLOG(fmt,args) /* do nothing */#endifMakefile做如下修改：DEBUG=yifeq($(DEBUG),y)DEBFLAGS = -O2 g DPDEBUGelseDEBFLAGS = -O2endifCFLAFS +=$(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(&(d

23、ev-datapos),buf,count) ret = -EFAULT; goto out;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

24、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，struct semaphore类型用来表示信号量。1、定义信号量 struct semaphore sem;2、初始化信号量 void

25、 sema_init(struct semaphore *sem,int val)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。 void init_MUTEX(struct semaphore *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 void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *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

26、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 void down(struct semaphore *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。 int down_interruptible(struct semaphore *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

27、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(struct semaphore *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 void up(struct semaphore *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

28、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

29、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。