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分类: LINUX

2007-10-20 15:48:57

Linux设备驱动程序学习(1)
-字符设备驱动程序
今天进入《Linux设备驱动程序(第3版)》第三章字符设备驱动程序的学习。
这一章主要通过介绍字符设备scull(Simple Character Utility for Loading Localities,区域装载的简单字符工具)的
驱动程序编写,来学习Linux设备驱动的基本知识。scull可以为真正的设备驱动程序提供样板。


一、主设备号和次设备号
主设备号表示设备对应的驱动程序;次设备号由内核使用,用于正确确定设备文件所指的设备。
内核用dev_t类型()来保存设备编号,dev_t是一个32位的数,12位表示主设备号,20为表示次设备号。
在实际使用中,是通过中定义的宏来转换格式。
 (dev_t)-->主设备号、次设备号  MAJOR(dev_t dev)
 MINOR(dev_t dev)
 主设备号、次设备号-->(dev_t)  MKDEV(int major,int minor) 

建立一个字符设备之前,驱动程序首先要做的事情就是获得设备编号。其这主要函数在中声明:

int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count,
char *name);   //指定设备编号

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor,
unsigned int count, char *name);   //动态生成设备编号

void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);      //释放设备编号


分配之设备号的最佳方式是:默认采用动态分配,同时保留在加载甚至是编译时指定主设备号的余地。

以下是在scull.c中用来获取主设备好的代码:

if (scull_major) {
    dev = MKDEV(scull_major, scull_minor);
    result = register_chrdev_region(dev, scull_nr_devs, "scull");
} else {
    result = alloc_chrdev_region(&dev, scull_minor, scull_nr_devs,"scull");
    scull_major = MAJOR(dev);
}
if (result < 0) {
    printk(KERN_WARNING "scull: can't get major %d\n", scull_major);
    return result;
}


在这部分中,比较重要的是在用函数获取设备编号后,其中的参数name是和该编号范围关联的设备名称,它将出现在/proc/devices和sysfs中。

看到这里,就可以理解为什么mdev和udev可以动态、自动地生成当前系统需要的设备文件。
udev就是通过读取
sysfs下的信息来识别硬件设备的.
(请看《
理解和认识udev
URL:http://blog.chinaunix.net/u/6541/showart_396425.html)


二、一些重要的数据结构
大部分基本的驱动程序操作涉及及到三个重要的内核数据结构,分别是file_operations、file和inode,它们的定义都在



三、字符设备的注册

内核内部使用struct cdev结构来表示字符设备。在内核调用设备的操作之前,必须分配并注册一个或多个struct cdev。代码应包含,它定义了struct cdev以及与其相关的一些辅助函数。

注册一个独立的cdev设备的基本过程如下:

1、为struct cdev 分配空间(如果已经将struct cdev 嵌入到自己的设备的特定结构体中,并分配了空间,这步略过!)

struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();

2、初始化struct cdev

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)

3、初始化cdev.owner

cdev.owner = THIS_MODULE;

4、cdev设置完成,通知内核struct cdev的信息(在执行这步之前必须确定你对struct cdev的以上设置已经完成!

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

从系统中移除一个字符设备:void cdev_del(struct cdev *p)

以下是scull中的初始化代码(之前已经为struct scull_dev 分配了空间):

/*
 * Set up the char_dev structure for this device.
 */

static void scull_setup_cdev(struct scull_dev *dev, int index)
{
    int err, devno = MKDEV(scull_major, scull_minor + index);
    
    cdev_init(&dev->cdev, &scull_fops);
    dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
    dev->cdev.ops = &scull_fops
 //这句可以省略,在cdev_init中已经做过
    err = cdev_add (&dev->cdev, devno, 1);
    /* Fail gracefully if need be 这步值得注意*/
    if (err)
        printk(KERN_NOTICE "Error %d adding scull%d", err, index);
}


四、scull模型的内存使用

以下是scull模型的结构体:

/*
 * Representation of scull quantum sets.
 */

struct scull_qset {
    void **data;
    struct scull_qset *next;
};

struct scull_dev {
    struct scull_qset *data; /* Pointer to first quantum set */
    int quantum; /* the current quantum size */
    int qset; /* the current array size */
    unsigned long size; /* amount of data stored here */
    unsigned int access_key; /* used by sculluid and scullpriv */
    struct semaphore sem; /* mutual exclusion semaphore */
    struct cdev cdev;     /* Char device structure        */
};

scull驱动程序引入了两个Linux内核中用于内存管理的核心函数,它们的定义都在:

void *kmalloc(size_t size, int flags);
void kfree(void *ptr);

以下是scull模块中的一个释放整个数据区的函数(类似清零),将在scull以写方式打开和scull_cleanup_module中被调用:

int scull_trim(struct scull_dev *dev)
{
  struct scull_qset *next, *dptr;
     int qset = dev->qset; /* 量子集中量子的个数*/
     int i;
     for (dptr = dev->data; dptr; dptr = next) { /* 循环scull_set个数次,直到dptr为NULL为止。*/
         if (dptr->data) {
               for (i = 0; i < qset; i++)/* 循环一个量子集中量子的个数次*/
                    kfree(dptr->data[i]);/* 释放其中一个量子的空间*/

               kfree(dptr->data);/* 释放当前的scull_set的量子集的空间*/
               dptr->data = NULL;/* 释放一个scull_set中的void **data指针*/
          }
      next = dptr->next; /* 准备下个scull_set的指针*/
      kfree(dptr);/* 释放当前的scull_set*/
      }
  dev->size = 0; /* 当前的scull_device所存的数据为0字节*/
  dev->quantum = scull_quantum;/* 初始化一个量子的大小*/
  dev->qset = scull_qset;/* 初始化一个量子集中量子的个数*/
  dev->data = NULL;/* 释放当前的scull_device的struct scull_qset *data指针*/
  return 0;
}

以下是scull模块中的一个沿链表前行得到正确scull_set指针的函数,将在read和write方法中被调用:

/*Follow the list*/
struct scull_qset *scull_follow(struct scull_dev *dev, int n)
{
    struct scull_qset *qs = dev->data;
        /* Allocate first qset explicitly if need be */
    if (! qs) {
        qs = dev->data = kmalloc(sizeof(struct scull_qset), GFP_KERNEL);
        if (qs == NULL)
            return NULL; /* Never mind */
        memset(qs, 0, sizeof(struct scull_qset));
    }
    /* Then follow the list */
    while (n--) {
        if (!qs->next) {
            qs->next = kmalloc(sizeof(struct scull_qset), GFP_KERNEL);
            if (qs->next == NULL)
                return NULL; /* Never mind */
            memset(qs->next, 0, sizeof(struct scull_qset));
        }
        qs = qs->next;
        continue;
    }
    return qs;
}

其实这个函数的实质是:如果已经存在这个scull_set,就返回这个scull_set的指针。如果不存在这个scull_set,一边沿链表为scull_set分配空间一边沿链表前行,直到所需要的scull_set被分配到空间并初始化为止,就返回这个scull_set的指针


、open和release

open方法提供给驱动程序以初始化的能力,为以后的操作作准备。应完成的工作如下:

(1)检查设备特定的错误(如设备未就绪或硬件问题);

(2)如果设备是首次打开,则对其进行初始化;

(3)如有必要,更新f_op指针;

(4)分配并填写置于filp->private_data里的数据结构。

而根据scull的实际情况,他的open函数只要完成第四步(将初始化过的struct scull_dev dev的指针传递到filp->private_data里,以备后用)就好了,所以open函数很简单。但是其中用到了定义在中的container_of宏,源码如下:

#define container_of(ptr, type, member) ({            \
    const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);    \
    (type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

其实从源码可以看出,其作用就是:通过指针ptr,获得包含ptr所指向数据(是member结构体)type结构体的指针。即是用指针得到另外一个指针。

release方法提供释放内存,关闭设备的功能。应完成的工作如下:

(1)释放由open分配的、保存在file->private_data中的所有内容;

(2)在最后一次关闭操作时关闭设备。

由于前面定义了scull是一个全局且持久的内存区,所以他的release什么都不做。


、read和write

 read和write方法的主要作用就是实现内核与用户空间之间的数据拷贝。因为Linux的内核空间和用户空间隔离的,所以要实现数据拷贝就必须使用在中定义的

unsigned long copy_to_user(void __user *to,
                           const void *from,
                           unsigned long count);
unsigned long copy_from_user(void *to,
                             const void __user *from,
                             unsigned long count);

而值得一提的是以上两个函数和

#define __copy_from_user(to,from,n)    (memcpy(to, (void __force *)from, n), 0)
#define __copy_to_user(to,from,n)    (memcpy((void __force *)to, from, n), 0)

之间的关系:通过源码可知,前者调用后者,但前者在调用前对用户空间指针进行了检查。

至于read和write 的具体函数比较简单,就在实验中验证好了。


七、模块实验


这次模块实验的使用是友善之臂SBC2440V4,使用Linux2.6.22.2内核。

模块程序链接:scull模块源程序
模块测试程序链接模块测试程序

测试结果:

量子大小为6:

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/ [Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko scull_quantum=6

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat /proc/devices
Character devices:
  1 mem
  2 pty
  3 ttyp
  4 /dev/vc/0
  4 tty
  4 ttyS
  5 /dev/tty
  5 /dev/console
  5 /dev/ptmx
  7 vcs
 10 misc
 13 input
 14 sound
 81 video4linux
 89 i2c
 90 mtd
116 alsa
128 ptm
136 pts
180 usb
189 usb_device
204 s3c2410_serial
252 scull
253 usb_endpoint
254 rtc

Block devices:
  1 ramdisk
256 rfd
  7 loop
 31 mtdblock
 93 nftl
 96 inftl
179 mmc
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull0 c  252 0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull1 c  252 1
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull2 c  252 2
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull3 c  252 3


启动测试程序

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test

write error! code=6

write error! code=6

write error! code=6

write ok! code=2

read error! code=6

read error! code=6

read error! code=6

read ok! code=2

[0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4

[5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9

[10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14

[15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19


改变量子大小为默认值4000:
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko


启动测试程序
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test
write ok! code=20
read ok! code=20
[0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4
[5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9
[10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14
[15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#   

改变量子大小为6,量子集大小为2:
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko scull_quantum=6 scull_qset=2

启动测试程序
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test
write error! code=6
write error! code=6
write error! code=6
write ok! code=2
read error! code=6
read error! code=6
read error! code=6
read ok! code=2
[0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4
[5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9
[10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14
[15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19
              

实验不仅测试了模块的读写能力,还测试了量子读写是否有效。
阅读(28711) | 评论(12) | 转发(63) |
给主人留下些什么吧!~~

study_man2018-12-21 09:18:55

本来想放弃ldd3看linux设备驱动详解可能更容易点....但是不能半途而废,百度修改下scull源码...编译成功了....虽然过程麻烦但是我感觉我又学到了点东西.......

pi4086375352015-03-14 15:50:00

主设备号表示设备对应的驱动程序;次设备号由内核使用,用于正确确定设备文件所指的设备 我做了一些实验,发现当主设备后一样次设备号不一样时,用MKDEV生成的dev_t是相同的号码,这是怎么理解 主设备号表示设备对应的驱动程序

2013-01-03 17:52:15

您好,我正在按照你的博客学习ldd3这本书。您的实例代码链接出现了问题,能否发一份给我。邮箱sk_kai@163.com。麻烦了。

aCayF2012-05-06 15:32:39

tek兄你好,我最近在学ldd3,遇到些棘手的问题,希望您能在方便,有空的时候做个解答,先在此谢过了,问题的详细描述我已经发到你的gmail邮箱

phoenixxyang2011-05-08 19:47:54

int err, devno = MKDEV(scull_major, scull_minor + index);
初学linux驱动,请教下这句代码中的devno为什么定义成int啊?devno是设备号,不应该定义为dev_t么?

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