Linux高级字符设备程序设计（国嵌学习笔记）

一、设备ioctl控制

1>功能：大部分驱动出了需要具备读写设备的能力外，还需要具备对硬件控制的能力。例如，要求设

备报告错误信息，改变波特率，这些操作常常通过ioctl方法来实现。

2>用户空间使用方法：

    在用户空间，使用ioctl系统调用来控制设备，原型如下

int ioctl(int fd, unsigned long cmd,...)

    原型中的点表示这是一个可选的参数，存在与否依赖于控制命令（第2个参数）是否涉及到与设

备的数据交互。

3>驱动ioctl的方法

iotcl驱动方法有和用户空间版本不同的原型：

    int(*ioctl)(struct inode* inode, struct file* filp,unsigned int cmd, unsigned long arg)(从2.6.36版本开始已废弃)

long(*inlocked_ioctl)(struct file* filp, unsigned int cmd, unsogned long arg);

cmd参数从用户空间传下来，可选的参数arg以一个unsigned long的形式传递，不管它是一个整数或

一个指针。如果cmd命令不涉及数据传输，则第三个参数arg的值五任何意义。

3>ioctl实现

    1、定义命令

    字编写unlock_ioctl代码之前，首先需要定义命令。为了防止对错误的设备使用正确的命令，命

令号应该在系统范围内是唯一的。ioctl命令编码被规划为几个位段，include/asm/ioctl.h中定义了

这些字段：类型（幻数）， 序号，传递方向，参数的大小。Documentation/ioctl-number.txt文件

中罗列了在内核中已经使用了的幻数。

内核提供了下列宏来帮助定义命令：

_IO(type,nr): 没有参数的命令

_IOR(type,nr,datatype):从驱动中读数据

_IOW(type,nr datatype):从驱动中写数据

_IOWR(type,nr datatype):双向传送，type和number成员作为参数被传递。

定义命令范例：

#define MEM_IOC_MAGIC 'm'//定义幻数

#define MEM_IOCSET

_IOW(MEM_IOC_MAGIC,0,int)

#define MEM_IOCGSET

_IOR(MEM_IOC_MAGIC,1,int)

    2、实现命令

    定义好了命令，下一步就是实现unlock_ioctl函数了，unlock_inctl函数的实现包括如下3个技术环节：

1、返回值

    unlock_ioctl函数的实现通常是根据命令执行的一个switch语句，但是，当命令号不能匹配任何一个设备所支持的命令时，通常返回-EINVAL（“非法参数”）。

2、参数使用

    如何使用unlock_ioctl中的参数arg？如果是一个整数，可以直接使用。如果是指针，我们必须确保这个用户地址是有效的，因此使用前需要进行正确的检查。

参数检测：

不需要检测：copy_from_user,copy_to_user,get_user,put_user

需要检测：__get_user,__put_user

int access_ok(int  type,const void* addr,unsigned long size)

第一个参数是VERIFY_READ或者VERIFY_WRITE，用来表明是读用户内存还是写用户内存。addr参数是

要操作的用户内存地址，size是操作的长度。如果ioctl粗腰从用户空间度一个整数，那么size参数

等于sizeof(int).access_ok返回一个布尔值：1是成功（存取没问题）和0是失败（存取有问题），

如果该函数返回失败，则ioctl应当返回-EFAULT.

/*参数检测*/

if(_IOC_DIR(cmd)&_IOC_READ)

    err = !access_ok(VERIFY_WRITE,(void__user*)arg,_IOC_SIZE(cmd));

    

else if(_IOC_DIR(cmd)&_IOC_WRITE)

    err = !access_ok(VERIFY_READ,(void__user*)arg,_IOC_SIZE(cmd));

if(err)

    return -EFAULT;

3、命令操作

/*命令操作*/

switch(cmd)

{

    case MEM_IOCSQUANTUM:/*set:arg points to the value*/

    retval = __get_user(scull_quantum,(int*)arg);

    break;

    case MEM_IOCGQUANTUM:/*Get:arg is pointer to result*/

    retval = __put_user(scull_quantum,(int*)arg);

    break;

    default:

    return -EINVAL；

}

代码范例：

/**************memdev.h*******************/

#ifndef _MEMDEV_H_
#define _MEMDEV_H_

#include <linux/ioctl.h>

#ifndef MEMDEV_MAJOR
#define MEMDEV_MAJOR 0 /*预设的mem的主设备号*/
#endif

#ifndef MEMDEV_NR_DEVS
#define MEMDEV_NR_DEVS 2 /*设备数*/
#endif

#ifndef MEMDEV_SIZE
#define MEMDEV_SIZE 4096
#endif

/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev
{
    char *data;
    unsigned long size;
};

/* 定义幻数 */
#define MEMDEV_IOC_MAGIC 'k'

/* 定义命令 */
#define MEMDEV_IOCPRINT   _IO(MEMDEV_IOC_MAGIC, 1)
#define MEMDEV_IOCGETDATA _IOR(MEMDEV_IOC_MAGIC, 2, int)
#define MEMDEV_IOCSETDATA _IOW(MEMDEV_IOC_MAGIC, 3, int)

#define MEMDEV_IOC_MAXNR 3

#endif /* _MEMDEV_H_ */


/**************memdev.c*******************/

#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/slab.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>

#include "memdev.h"

static int mem_major = MEMDEV_MAJOR;
module_param(mem_major, int, S_IRUGO);

struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
struct cdev cdev;

/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    struct mem_dev *dev;
    /*获取次设备号*/
    int num = MINOR(inode->i_rdev);
    if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
        return -ENODEV;
    dev = &mem_devp[num];
    /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
    filp->private_data = dev;

    return 0;
}

/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

/*
 * IO操作
 * */
static long memdev_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    int err = 0;
    int ret = 0;
    int ioarg = 0;

    /* 检测命令的有效性 */
    if (_IOC_TYPE(cmd) != MEMDEV_IOC_MAGIC)
        return -EINVAL;
    if (_IOC_NR(cmd) > MEMDEV_IOC_MAXNR)
        return -EINVAL;

    /* 根据命令类型，检测参数空间是否可以访问 */
    if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ)
        err = !access_ok(VERIFY_WRITE, (void *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
    else if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE)
        err = !access_ok(VERIFY_READ, (void *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
    if (err)
        return -EFAULT;

    /* 根据命令，执行相应的操作 */
    switch(cmd) {
        /* 打印当前设备信息 */
        case MEMDEV_IOCPRINT:
            printk("<--- CMD MEMDEV_IOCPRINT Done--->\n\n");
            break;
        /* 获取参数 */
        case MEMDEV_IOCGETDATA:
            ioarg = filp->f_pos;
            ret = __put_user(ioarg, (int *)arg);
            break;
        /* 设置参数 */
        case MEMDEV_IOCSETDATA:
            ret = __get_user(ioarg, (int *)arg);
            if ((ioarg<0) || (ioarg>MEMDEV_SIZE))
                return -EINVAL;
            filp->f_pos = ioarg;
            printk("<--- In Kernel MEMDEV_IOCSETDATA ioarg = %d --->\n\n",ioarg);
            break;
        default:
            return -EINVAL;
    }
    return ret;
}

/*
 * 读函数
 * */
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
    unsigned long p = *ppos;
    unsigned int count = size;
    int ret = 0;
    struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/

    /*判断读位置是否有效*/
    if (p >= MEMDEV_SIZE)
        return 0;
    if (count > MEMDEV_SIZE - p)
        count = MEMDEV_SIZE - p;

    /*读数据到用户空间*/
    if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count)) {
        ret = - EFAULT;
    } else {
        *ppos += count;
        ret = count;
        printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %ld\n", count, p);
    }
    return ret;
}

/*
 * 写函数
 */
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
    unsigned long p = *ppos;
    unsigned int count = size;
    int ret = 0;
    struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/

    /*分析和获取有效的写长度*/
    if (p >= MEMDEV_SIZE)
        return 0;
    if (count > MEMDEV_SIZE - p)
        count = MEMDEV_SIZE - p;

    /*从用户空间写入数据*/
    if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
        ret = - EFAULT;
    else {
        *ppos += count;
        ret = count;
    }
    return ret;
}

/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = mem_open,
    .release = mem_release,
    .unlocked_ioctl = memdev_ioctl,
    .read = mem_read,
    .write = mem_write,
};

/*
 * 设备驱动模块加载函数
 * */
static int memdev_init(void)
{
    int result;
    int i;

    dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);
    /* 静态申请设备号*/
    if (mem_major)
        result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
    else { /* 动态分配设备号 */
        result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
        mem_major = MAJOR(devno);
    }
    if (result < 0)
        return result;

    /*初始化cdev结构*/
    cdev_init(&cdev, &mem_fops);
    cdev.owner = THIS_MODULE;
    cdev.ops = &mem_fops;
    /* 注册字符设备 */
    cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);

    /* 为设备描述结构分配内存*/
    mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
    if (!mem_devp) {/*申请失败*/
        result = - ENOMEM;
        goto fail_malloc;
    }
    memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));

    /*为设备分配内存*/
    for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++) {
        mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
        mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
        memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
    }

    return 0;
fail_malloc:
    unregister_chrdev_region(devno, 1);

    return result;
}

/*
 * 模块卸载函数
 * */
static void memdev_exit(void)
{
    cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
    kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/
    unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}

MODULE_AUTHOR("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);



/**************app_ioctl.c*******************/

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include "memdev.h" /* 包含命令定义 */

/* 调用命令MEMDEV_IOCSETDATA */
static inline void setpos(int fd, int pos) {
printf("ioctl: Call MEMDEV_IOCSETDATA to set position\n");
ioctl(fd, MEMDEV_IOCSETDATA, &pos);
}

/* 调用命令MEMDEV_IOCGETDATA */
static inline int getpos(int fd) {
    int pos;
printf("ioctl: Call MEMDEV_IOCGETDATA to get position\n");
ioctl(fd, MEMDEV_IOCGETDATA, &pos);
    return pos;
}

int main(void)
{
int fd = 0;
int arg = 0;
char buf[256];
/*打开设备文件*/
if (-1==(fd=open("/dev/memdev0",O_RDWR))) {
printf("Open Dev Mem0 Error!\n");
_exit(EXIT_FAILURE);
}
/* 调用命令MEMDEV_IOCPRINT */
printf("ioctl: Call MEMDEV_IOCPRINT to printk in driver\n");
    ioctl(fd, MEMDEV_IOCPRINT, &arg);

    strcpy(buf, "This is a test for ioctl");
    printf("write %d bytes in new open file\n", strlen(buf));
    write(fd, buf, strlen(buf));
    printf("new pos is %d\n", getpos(fd));

    setpos(fd, 0);
    printf("set pos = 0\n");
    printf("after setpos(fd, 0), new pos is %d\n", getpos(fd));

close(fd);
return 0;
}

二、内核等待队列

在Linux驱动程序设计中，可以使用等待队列来实现进程的阻塞，等待队列可看做保存进程的容器，在阻塞进程时，将进程放入等待队列，当唤醒进程时，从等待队里中取出进程

1>操作等待队里

1、定义等待队列

wait_queue_head_t my_queue

2、初始化等待队列

init_waitqueue_head(&my_queue)

3、定义并初始化等待队列

DECAARE_WAIT_QUEUE_HEAD(my_queue)

4、有条件睡眠

wait_event(queue,condition)

    当condition（一个布尔表达式）为真时，立即返回；否则进程进入TASK_UNINTERRUPTIBLE模式的睡眠，并挂在queue参数所指定的等待队列上。

wait_event_interruptible(queue,condition)

    当condition（一个布尔表达式）为真时，立即返回；否则进程进入TASK_INTERRUPTIBLE的睡眠，并挂在queue参数所指定的等待队列上。

int wait_event_killable(wait_queue_t queue,condition)

    当condition为真时，立即返回；否则进程进入TASK_KILLABLE的睡眠，并挂在queue参数所指定的等待队列上。

5、无条件睡眠（建议不再使用）

sleep_on(wait_queue_head_t* q)

    让进程进入不可中断的睡眠，并把它放入等待队列q。

interruptible_sleep_on（wait_queue_head_t* q）

    让进程进入可中断的睡眠，并把它放入等待队列q。

6、从等待队列中唤醒进程

wake_up(wait_queue* q)

    从等待队列q中唤醒状态为TASK_UNINTERRUPTIBLE,TASK_INTERRUPTIBLE,TASK_KILLABLE的所有进程。

wake_up_interruptible(wait_queue_t* q)

    从等待队列q中唤醒状态为TASK_INTERRUPTIBLE的进程。

三、阻塞型字符设备驱动

1>当一个设备无法立刻满足用户的读写请求时应当如何处理？

例如：调用read时没有数据可读，但以后可能会有；或者一个进程试图向设备写入数据，但设备暂时

没有准备好接受数据。应用程序通常不关心这种问题，应用程序只是调用read或write并得到返回

值。驱动程序应当（缺省地）阻塞进程，使得它进入睡眠，知道请求可以得到满足。

2>阻塞方式

在阻塞型驱动程序中，read实现方式如下：如果进程调用read，但设备没有数据或数据不足，进程阻

塞。当新的数据到达后，唤醒被阻塞进程。write的实现方式如下：如果进程调用了write，但设备没

有足够的空间供其写入数据，进程阻塞。当设备中的数据被读走后，缓冲区中空出部分空间，则换醒

进程。

3>非阻塞方式

阻塞方式是文件读写操作的默认方式，但应用程序可通过使用O_NONBLOCK标志来人为的设置读写操作

为非阻塞方式（该标志定义中，在打开文件时指定）。如果设置了O_NONBLOCK标

志，read和write的行为是不同的。如果进程在没有数据就绪时调用了read，或者在缓冲区没有空间

时调用了write，系统只是简单地返回-EAGIN,而不会阻塞进程。

四、Poll设备操作

1>select系统调用

select系统调用用于多路监控，当没有一个文件满足要求时，select将阻塞调用进程。

int select(int maxfd,fd_set* readfds,fd_set* writefds,fe_set* execeptfds,const struct timeval* timeout)

maxfd:文件描述符的范围，比待检测的最大文件描述符大1.

readfds：被读监控的文件描述符集

writefds：被写监控的文件描述符集

exceptfds：被异常监控的文件描述符集

timeout：定时器

timeout取不同的值，该调用由不同的表现：

timeout为0，不管是否有文件满足要求，都立刻返回，无文件满足要求返回0，有文件满足要求返回一个正值。

timeout为NULL，select将阻塞进程，知道某个文件满足要求

timeout值为正整数，就是等待的最长时间，即select在timeout时间内阻塞进程。

select调用返回时，返回值有如下情况：

1、正常情况下返回满足要求的文件描述符个数；

2、经过了timeout等待后仍无文件满足要求，返回值为0；

3、如果select被某个信号中断，它将返回-1并设置errno为EINTR。

4、如果出错，返回-1并设置相应的errno。

使用方法：

1、将要监控的文件添加到文件描述符集；

2、调用select开始监控

3、判断文件是否发生变化

系统提供了4个宏对描述符集进行操作：

#include

void FD_SET(int fd,fd_set* fdset)

void FD_CLR(int fd,fd_set* fdset)

void FD_ZERO(int fd,fd_set* fdset)

void FD_ISSET(int fd,fd_set* fdset)

宏FD_SET将文件描述符fd添加到文件描述符集fdset中；

宏FD_CLR从文件描述符集fdset中清除文件描述符fd；

宏FD_ZERO清空文件描述符集fdset；

在调用select后使用FD_ISSET来检测文件描述符集fdset中的文件fd发生了变化。

2>Poll方法

应用程序使用select系统调用，它可能阻塞进程。这个调用由驱动的poll方法实现，原型为：

unsigned int(*poll)(struct file* filp,poll_table* wait)

poll设备方法负责完成：

1、使用poll_wait将等待队列添加到poll_table中。

2、返回描述设备是否可读或可写的掩码。

掩码：

POLLIN：设备可读

POLLRDNORM：数据可读

POLLOUT：设备可写

POLLWRNORM：数据可写

设备可读通常返回（POLLIN|POLLRDNORM）

设备可写通常返回（POLLOUT|POLLWRNORM）

static unsigned int mem_poll(struct file* filp,poll_table* wait)

{

    struct scull_pipe* dev = filp->private_data;

    unsigned int mask = 0;

    /*把 等待队列 添加到poll_table*/

    poll_wait(filp,&dev->inq,wait);

    /*返回掩码*/

    if(有数据可读)

        mask = POLLIN|POLLRDNORM；/*设备可读*/

    

    return mask;    

}

Poll方法只是做一个登记，真正的阻塞发生在select.c中的do_select函数。

五、自动创建设备文件

自动创建（2.4内核）

devfs_register(devfs_handle_t dir, const char* name, unsigned int flags, unsigned int major, unsigned int minor, umode_t mode, void* ops, void* info)

在指定的目录张创建设备文件。dir：目录名，为空表示在/dev/目录下创建；name:文件名；flags：创建标志；major：主设备号； minor：次设备号；mode：创建模式；ops：操作函数集；info：通常为空。

自动创建（2.4内核）

从Linux2.6.13开始，devs不复存在了，udev成为devfs的替代。相比devfs，udev（mdev）存在与应

用层，利用udev（mdev）来说实现设备文件的自动创建很简单，在驱动初始化的代码里调用

class_create为该设备创建一个class，再为每个设备调用device_create创建对应的设备。

例子：

struct class* myclass = class_create(THIS_MODULE,"my_device_driver");

device_create(myclass,NULL,MKDEV(maior_num,0),NULL,"my_device");

当驱动加载时，udev（mdev）就会自动在/dev下创建my_device设备。