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"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：

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,"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()：

static void __exit gobalvar_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)(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) 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_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_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, const 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 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 (*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"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：

struct file_operations gobalvar_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");

#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_operations globalvar_fops =
{
　read: 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", &globalvar_fops);
　if (ret)
　{
　　printk("globalvar register failure");
　}
　else
　{
　　printk("globalvar register success");
　}
　return ret;
}

static void __exit globalvar_exit(void)
{
　int ret;

　//注销设备驱动
　ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");
　if (ret)
　{
　　printk("globalvar unregister failure");
　}
　else
　{
　　printk("globalvar unregister success");
　}
}

static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, 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;
　}
　return sizeof(int);
}

static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, 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;
　}
　return sizeof(int);
}

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/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()
{
　int fd, 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("The globalvar is %d\n", num);

　　//写globalvar
　　printf("Please input the num written to globalvar\n");
　　scanf("%d", &num);
　　write(fd, &num, sizeof(int));

　　//再次读globalvar
　　read(fd, &num, sizeof(int));
　　printf("The globalvar is %d\n", num);

　　//关闭"/dev/globalvar"
　　close(fd);
　}
　else
　{
　　printf("Device open failure\n");
　}
}

　　编译上述文件：

gcc -o globalvartest.o globalvartest.c

　　运行

./globalvartest.o

　　可以发现"globalvar"设备可以正确的读写。