字符设备驱动程序-michael_dingtao-ChinaUnix博客

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2010年（38）

我的朋友

主设备号和次设备号

主设备号标识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。可以通过次设备号获得一个指向内核设备的直接指针，也可以将次设备号当做设备本地数组的索引。

设备编号的内部使用 dev_t类型（）用来保存设备编号，包括主设备号和次设备号。在内核2.6.0版本中，dev_t是一个32为32位，其中12位表示主设备号，其余20位表示次设备号。

获得主设备号和次设备号

MAJOR(dev_t dev); MINOR(dev_t dev);

将主设备号和次设备号转换成dev_t类型

MKDEV(int major, int minor);

分配和释放设备编号建立一个字符设备之前，首先要获得一个或多个设备编号。

#include int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);

first是要分配的设备编号范围的起始值，常设置为0.

count是所请求的连续设备编号的个数.

name是和该编号范围关联的设备名称，将出现在/proc/devices和sysfs中.

动态分配设备编号

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);

dev仅用于输出，成功完成调用后将保存已分配范围的第一个编号.

firstminor是要使用的被请求的第一个次设备号，通常是0.

设备编号释放(通常在清除函数中调用)

void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);

scull.c中获取主设备号的代码片段

`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; }`

重要的数据结构

文件操作file_operations()

file_operations结构用来将驱动程序连接到上面获得的设备编号。每个打开的文件（在内部由一个file结构表示）和一组函数关联（通过包含指向一个file_operations结构的f_op字段）。

scull设备驱动程序所实现的方法

struct file_operations scull_fops = { .owner = THIS_MODULE, .llseek = scull_llseek, .read = scull_read, .write = scull_write, .ioctl = scull_ioctl, .open = scull_open, .release = scull_release, };

struct file结构()

struct file结构和用户空间的FILE没有任何关联，FILE在C库中定义不会出现在内核，struct file是一个内核结构，不会出现在用户空间。 file代表一个打开的文件，其重要的成员如下：

mode_t f_mode;

文件模式。通过FMODE_READ和FMODE_WRITE位来标识文件是否可读或可写。

loff_t f_pos;

当前读写位置。loff_t是64位，gcc术语来说是long long.

unsigned int f_flags;

文件标志，如O_RDONLY、O_NONBLOCK、O_SYNC。

struct file_operations *f_op;

与文件相关的操作。内核在open的时候对这个指针赋值，以后需要处理这些操作时就读取这个指针。

void *private_date;

open系统调用在调用驱动程序的open前将这个指针置为NULL。驱动程序可以将这个字段用于任何目的或者忽略这个字段。也可以用这个字段指向已分配的数据，但一定要在内核销毁file结构的前在release方法中释放内存。

struct dentry *f_dentry;

文件对应的目录项结构。

inode结构

内核用inode结构在内部表示文件，和file结构不同，后者表示打开的文件描述符。对单个文件，可能有多个打开的文件描述符的file结构，但他们都指向单个inode结构。

inode结构中与驱动程序代码有关的成员：

dev_t i_rdev;

对表示设备文件的inode结构，该字段包含了真正的设备标号。

struct cdev *i_cdev;

struct cdev表示字符设备的内核内部结构。当inode指向一个字符设备文件时，该字段包含了指向struct cdev结构的指针。

从inode结构中获得主设备号和次设备号的宏

unsigned int iminor(struct inode *inode); unsigned int imajor(struct inode *inode);

字符设备的注册

内核内部使用struct cdev结构表示字符设备。在内核调用设备操作前，必须分配一个或多个上述结构，因此代码要包含，其中定义了这个结构及其辅助函数。

字符设备的分配

struct cdev *my_cdev = cdev_alloc( ); my_cdev->ops = &my_fops;

字符设备的初始化

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

另外，struct cdev的所有者字段也应该设置为THIS_MODULES.

通知内核该结构的信息

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

dev是cdev结构，num是该设备对应的第一个设备编号，count是应该和该设备关联的设备编号的数量。

移除一个字符设备

void cdev_del(struct cdev *dev);

Scull设备中的设备注册

scull内部，struct scull_dev结构表示每个设备

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设备的注册

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; err = cdev_add (&dev->cdev, devno, 1); /* Fail gracefully if need be */ if (err) printk(KERN_NOTICE "Error %d adding scull%d", err, index); }

早期方法

int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops); int unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);

major是设备的主设备号，name是驱动程序名称，fops是默认的file_operations结构。

register_chrdev()将为给定的主设备号注册0~255作为次设备号，并为每个设备建立一个对应的默认cdev结构。不能使用大于255的主设备号和次设备号。

open和release方法

open方法提供给驱动程序初始化能力。

检查设备特定的错误
如果设备首次打开，则对其初始化
如有必要，更新f_op指针
分配并填写置于file->private_data里的数据结构

int (*open)(struct inode *inode, struct file *filp);

inode参数的i_cdev字段包含了cdev结构，可以从cdev结构得到scull_dev结构。

#include <linux/kernel.h> struct scull_dev *dev; /* device information */ dev = container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev); filp->private_data = dev; /* for other methods */

将scull_dev结构指针保存到file结构的private_data字段，以备后用。

scull_open代码片段

int scull_open(struct inode *inode, struct file *filp) { struct scull_dev *dev; /* device information */ dev = container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev); filp->private_data = dev; /* for other methods */ /* now trim to 0 the length of the device if open was write-only */ if ( (filp->f_flags & O_ACCMODE) = = O_WRONLY) { scull_trim(dev); /* ignore errors */ } return 0; /* success */ }

release方法作用和open相反。

释放由open分配的、保存在filp->private_data中的所有内容
在最后一次关闭操作时关闭设备

scull_release代码片段

int scull_release(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; }

并不是每个close系统调用都会引起对release方法的调用。只有真正释放设备数据结构的close调用才会调用这个方法。内核对每个file结构维护其被使用次数的计数器。只有在file结构的计数归0时，close系统调用才会执行release方法。

scull设备的内存使用

scull使用的内存区域也成为设备，长度可变。

scull驱动程序引入Linux内核中用于内存管理的2个核心函数。

#include <linux/slab.h> void *kmalloc(size_t size, int flags); void kfree(void *ptr);

前者试图分配size个字节的内存，其返回值指向该内存，失败返回NULL。flags表示分配内存的方法。

scull设备和它的内存区

scull结构的定义

/* * 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_trim函数负责释放数据区，并且在文件以写入方式打开时由scull_open调用。

int scull_trim(struct scull_dev *dev) { struct scull_qset *next, *dptr; int qset = dev->qset; /* "dev" is not-null */ int i; for (dptr = dev->data; dptr; dptr = next) { /* all the list items */ if (dptr->data) { for (i = 0; i < qset; i++) kfree(dptr->data[i]); kfree(dptr->data); dptr->data = NULL; } next = dptr->next; kfree(dptr); } dev->size = 0; dev->quantum = scull_quantum; dev->qset = scull_qset; dev->data = NULL; return 0; }

模块的清楚函数也调用scull_trim函数，以便将由scull所使用的内存返回给系统。

read和write

ssize_t read(struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp); ssize_t write(struct file *filp, const char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);

filp是文件指针，count是请求传输的数据长度，buff是指向用户空间的缓冲区，offp是一个指向long offset type（长偏移量类型）对象的指针，这个对象指明用户在文件中进行存取操作的位置。返回值是signed size type类型。

用于在用户地址空间和内核地址空间进行整段数据拷贝的函数

#include <asm/uaccess.h> 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);

这2个函数在进行数据拷贝之前先检查用户空间指针是否有效，如果无效则不拷贝，如果在拷贝的过程中遇到无效指针，则拷贝部分数据。

调用程序对read的返回值解释如下

如果返回值等于传递给read系统调用的coun参数，说明请求的数据成功传输
如果返回值为正，但小于count，说明只有部分数据成功传输，程序可能会重新读取数据
如果返回值为0，表示到达了文件尾
负值意味着发生了错误，该值指明了发生了什么错误，错误码在中定义

scull设备的read代码片段

ssize_t scull_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { struct scull_dev *dev = filp->private_data; struct scull_qset *dptr; /* the first listitem */ int quantum = dev->quantum, qset = dev->qset; int itemsize = quantum * qset; /* how many bytes in the listitem */ int item, s_pos, q_pos, rest; ssize_t retval = 0; if (down_interruptible(&dev->sem)) return -ERESTARTSYS; if (*f_pos >= dev->size) goto out; if (*f_pos + count > dev->size) count = dev->size - *f_pos; /* find listitem, qset index, and offset in the quantum */ item = (long)*f_pos / itemsize; rest = (long)*f_pos % itemsize; s_pos = rest / quantum; q_pos = rest % quantum; /* follow the list up to the right position (defined elsewhere) */ dptr = scull_follow(dev, item); if (dptr = = NULL || !dptr->data || ! dptr->data[s_pos]) goto out; /* don't fill holes */ /* read only up to the end of this quantum */ if (count > quantum - q_pos) count = quantum - q_pos; if (copy_to_user(buf, dptr->data[s_pos] + q_pos, count)) { retval = -EFAULT; goto out; } *f_pos += count; retval = count; out: up(&dev->sem); return retval; }

调用程序对write方法的返回值解释

返回值等于count，则完成了所请求数据的传输
返回值为正，但小于count，则只传输了部分数据，程序可能再次试图写入余下数据
返回值为0，意味着什么也没写入。这个结果不是错误。标准库会重复调用write
负值意味着发生错误，与read同解

scull设备的write代码

ssize_t scull_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { struct scull_dev *dev = filp->private_data; struct scull_qset *dptr; int quantum = dev->quantum, qset = dev->qset; int itemsize = quantum * qset; int item, s_pos, q_pos, rest; ssize_t retval = -ENOMEM; /* value used in "goto out" statements */ if (down_interruptible(&dev->sem)) return -ERESTARTSYS; /* find listitem, qset index and offset in the quantum */ item = (long)*f_pos / itemsize; rest = (long)*f_pos % itemsize; s_pos = rest / quantum; q_pos = rest % quantum; /* follow the list up to the right position */ dptr = scull_follow(dev, item); if (dptr = = NULL) goto out; if (!dptr->data) { dptr->data = kmalloc(qset * sizeof(char *), GFP_KERNEL); if (!dptr->data) goto out; memset(dptr->data, 0, qset * sizeof(char *)); } if (!dptr->data[s_pos]) { dptr->data[s_pos] = kmalloc(quantum, GFP_KERNEL); if (!dptr->data[s_pos]) goto out; } /* write only up to the end of this quantum */ if (count > quantum - q_pos) count = quantum - q_pos; if (copy_from_user(dptr->data[s_pos]+q_pos, buf, count)) { retval = -EFAULT; goto out; } *f_pos += count; retval = count; /* update the size */ if (dev->size < *f_pos) dev->size = *f_pos; out: up(&dev->sem); return retval; }

readv和writev

向量型函数，具有一个结构数组，每个结构包含一个指向缓冲区的指针和长度值。

readv调用可用于将指定数量的数据依次读入每个缓冲区。

writev调用是把每个缓冲区内容收集起来，并将他们在一次写入操作中进行输出。

如果驱动程序没有提供用于处理向量操作的方法，readv和writev会通过多次调用read和write来实现。

向量操作函数原型

ssize_t (*readv) (struct file *filp, const struct iovec *iov, unsigned long count, loff_t *ppos); ssize_t (*writev) (struct file *filp, const struct iovec *iov, unsigned long count, loff_t *ppos);