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?? Linux系统中，设备驱动程序是操作系统内核的重要组成部分，在与硬件设备之间建立了标准的抽象接口。通过这个接口，用户可以像处理普通文件一样，对硬件设备进行打开(open)、关闭(close)、读写(read/write)等操作。通过分析和设计设备驱动程序，可以深入理解Linux系统和进行系统开发。本文通过一个简单的例子来说明设备驱动程序的设计。
??1、程序清单
??#ifndef __KERNEL__
??# define __KERNEL__ //按内核模块编译
??#endif
??#ifndef MODULE
??# define MODULE //设备驱动程序模块编译
??#endif
??#define DEVICE_NAME "MyDev"
??#define OPENSPK 1
??#define CLOSESPK 2
??
??//必要的头文件
??#include
??#include
??#include
??#include
??#include
?? 函数宏
??#include
??int my_major=0; //主设备号
??static int Device_Open=0;
??static char Message[]="This is from device driver";
??char *Message_Ptr;
??
??int my_open(struct inode *inode, struct file *file)
??{//每当应用程序用open打开设备时，此函数被调用
?? printk ("ndevice_open(%p,%p)n", inode, file);
?? if (Device_Open)
?? return -EBUSY; //同时只能由一个应用程序打开
?? Device_Open++;
?? MOD_INC_USE_COUNT; //设备打开期间禁止卸载
?? return 0;
??}
??
??static void my_release(struct inode *inode, struct file *file)
??{//每当应用程序用close关闭设备时，此函数被调用
?? printk ("ndevice_release(%p,%p)n", inode, file);
?? Device_Open --;
?? MOD_DEC_USE_COUNT; //引用计数减1
??}
??
??ssize_t my_read (struct file *f,char *buf,int size,loff_t off)
??{//每当应用程序用read访问设备时，此函数被调用
?? int bytes_read=0;
??#ifdef DEBUG
?? printk("nmy_read is called. User buffer is %p,size is dn",buf,size);
??#endif
??if (verify_area(VERIFY_WRITE,buf,size)==-EFAULT)
?? return -EFAULT;
?? Message_Ptr=Message;
?? while(size && *Message_Ptr)
?? {
?? if(put_user(*(Message_Ptr++),buf++)) //写数据到用户空间
?? return -EINVAL;
?? size --;
?? bytes_read++;
?? }
?? return bytes_read;
??}
??
??ssize_t my_write (struct file *f,const char *buf, int size,loff_t off)
??{//每当应用程序用write访问设备时，此函数被调用
?? int i;
?? unsigned char uc;
??#ifdef DEBUG
?? printk("nmy_write is called. User buffer is %p,size is dn",buf,size);
??#endif
??if (verify_area(VERIFY_WRITE,buf,size)==-EFAULT)
??return -EFAULT;
?? printk("nData below is from user program:n");
?? for (i=0;i
?? printk("%02x ",uc);
?? return size;
??}
??
??int my_ioctl(struct inode *inod,struct file *f,unsigned int arg1,
?? unsigned int arg2)
??{//每当应用程序用ioctl访问设备时，此函数被调用
??#ifdef DEBUG
?? printk("nmy_ioctl is called. Parameter is %p,size is %dn",arg1);
??#endif
?? switch (arg1)
?? {
?? case OPENSPK:
?? printk("nNow,open PC's speaker.n");
?? outb(inb(0x61)|3,0x61); //打开计算机的扬声器
?? break;
?? case CLOSESPK:
?? printk("nNow,close PC's speaker.");
?? outb(inb(0x61)&0xfc,0x61);//关闭计算机的扬声器
?? break;
?? }
??}
??
??struct file_operations my_fops = {
?? NULL, /* lseek */
?? my_read,
?? my_write,
?? NULL,
?? NULL,
?? my_ioctl,
?? NULL,
?? my_open,
?? my_release,
?? /* nothing more, fill with NULLs */
??};
??
??int init_module(void)
??{//每当装配设备驱动程序时，系统自动调用此函数
?? int result;
?? result = register_chrdev(my_major,DEVICE_NAME,&my_fops);
?? if (result < 0) return result;
?? if (my_major == 0)
?? my_major = result;
?? printk("nRegister Ok. major-number=%dn",result);
?? return 0;
??}
??
??void cleanup_module(void)
??{//每当卸载设备驱动程序时，系统自动调用此函数
?? printk("nunloadn");
?? unregister_chrdev(my_major, DEVICE_NAME);
??}
??
??2、设备驱动程序设计
??
?? Linux设备分为字符设备、块设备和网络设备。字符设备是不需要缓冲而直接
??读写的设备，如串口、键盘、鼠标等，本例就是字符设备驱动程序；块设备的访问
??通常需要缓冲来支持，以数据块为单位来读写，如磁盘设备等；网络设备是通过套
??接字来访问的特殊设备。
??
??1) 设备驱动程序和内核与应用程序的接口
?? 无论哪种类型的设备，Linux都是通过在内核中维护特殊的设备控制块来与设
??备驱动程序接口的。在字符设备和块设备的控制块中，有一个重要的数据结构
??file_operations，该结构中包含了驱动程序提供给应用程序访问硬件设备的各种
??方法，其定义如下（参见fs.h）：
??
??struct file_operations {
??loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
??//响应应用程序中lseek调用的函数指针
??ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
??//响应应用程序中read调用的函数指针
??ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
??//响应应用程序中write调用的函数指针
??int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
??//响应应用程序中readdir调用的函数指针
??unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
??//响应应用程序中select调用的函数指针
??int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
??//响应应用程序中ioctl调用的函数指针
??int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
??//响应应用程序中mmap调用的函数指针
??int (*open) (struct inode *, struct file *);
??//响应应用程序中open调用的函数指针
??int (*flush) (struct file *);
??int (*release) (struct inode *, struct file *);
??//响应应用程序中close调用的函数指针
??int (*fsync) (struct file *, struct dentry *);
??int (*fasync) (int, struct file *, int);
??int (*check_media_change) (kdev_t dev);
??int (*revalidate) (kdev_t dev);
??int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
??};
??
??多数情况下，只需为上面结构中的少数方法编写服务函数，其他均设为NULL即可。
??
?? 每一个可装配的设备驱动程序都必须有init_module和cleanup_module两个函数，装载和卸载设备时内核自动调用这两个函数。在init_module中，除了可以对硬件设备进行检查和初始化外，还必须调用register_* 函数将设备登记到系统中。本例中是通过register_chrdev来登记的，如果是块设备或网络设备则应该用
??register_blkdev和register_netdev来登记。Register_chrdev 的主要功能是将设
??备名和结构file_operations登记到系统的设备控制块中。
??
??2) 与应用程序的数据交换
?? 由于设备驱动程序工作在内核存储空间，不能简单地用"="、"memcpy"等方法与应用程序交换数据。在头文件uaccess.h中定义了方法put_user(x, ptr)和
??get_user(x, ptr)，用于内核空间与用户空间的数据交换。值x的类型根据指针
??ptr的类型确定，请参见源代码中的my_read与my_write函数。
??
??3) 与硬件设备的接口
??
?? Linux中为设备驱动程序访问I/O端口、硬件中断和DMA提供了简便方法，相应的头文件分别为io.h、irq.h、dma.h。由于篇辐限制，本例中只涉及到I/O端口访问。Linux提供的I/O端口访问方法主要有：inb()、inw()、outb()、outw()、inb_p()、inw_p()、outb_p()、outw_p()等。要注意的是，设备驱动程序在使用端口前，应该先用check_region()检查该端口的占用情况，如果指定的端口可用，则再用request_region()向系统登记。说明check_region()、request_region()的头文件是ioport.h。
??
??4) 内存分配
??
?? 设备驱动程序作为内核的一部分，不能使用虚拟内存，必须利用内核提供的
??kmalloc()与kfree()来申请和释放内核存储空间。Kmalloc()带两个参数，第一个
??要申请的是内存数量，在早期的版本中，这个数量必须是2的整数幂，如128、256
??。关于kmalloc()与kfree()的用法，可参考内核源程序中的malloc.h与slab.c程序
??。
??
??3、程序的编译和访问
??
?? 本例在Linux 2.2.x.x中可以成功编译和运行。先用下面的命令行进行编译：
??gcc -Wall -O2 -c MyDev.c该命令行中参数-Wall告诉编译程序显示警告信息；参数-O2是关于代码优化的设置，注意内核模块必须优化；参数-c规定只进行编译和汇编，不进行连接。正确编译后，形成MyDev.o文件。可以输入命insmod MyDev.o来装载此程序。如果装配成功，则显示信息：Register Ok.major-number=xx。利用命令lsmod可以看到该模块被装配到系统中。为了访问该模块，应该用命令mknode来创建设备文件。下面的应用程序可以对创建的设备文件进行访问。
??#include
??#include
??#include
??#define DEVICE_NAME MyDev
??#define OPENSPK 1
??#define CLOSESPK 2
??char buf[128];
??int main(){
?? int f=open(DEVICE_NAME,O_RDRW);
?? if (f==-1) return 1;
?? printf("nHit enter key to read device...");
?? read(f,buf,128); printf(buf);
?? printf("nHit enter key to write device ...");
?? write(f,"test",4);
?? printf("nHit enter key to open PC's speaker...");
?? ioctl(f,OPENSPK);
?? printf("nHit enter key to close PC's speaker...");
?? ioctl(f,CLOSESPK);
?? close(f);
?? }
??