教你写Linux设备驱动程序：一个简短的教程

原文为 Writing device driver in Linux:A brief tutorial.
该文重点给出了三个实例来讲解Linux驱动，使新手快速、从代码层了解什么是Linux设备驱动。
本文算是笔记，大体上是翻译该文的前两部分，即前两个实例，这两个例子都可能正确成功运行。

文件:	Writing device drivers in Linux.pdf
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所需知识
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        - C 语言编程
        - 微处理器编程.对处理器的工作原理有一定的了解，如内存管理、中断等

用户空间和内核空间
================
写设备驱动时，了解“用户空间”和“内核空间”之间的区别是非常重要的。

        - 内核空间。Linux内核简单并高效地管理着机器的硬件，为用户提供简单并
        规范的编程接口。同样地，内核，特别是内核中的驱动，是用户／程序员与硬
        件之间的桥梁或接口。内核的任何例程或函数（比如模块、驱动）都属于内核
        空间。
        - 用户空间。用户程序，比如unix shell或其他的gui应用程序（比如
        kpresenter），都属于用户空间。显然，这些应用程序都要与硬件打交道。但是
        它们不并直接操作硬件，而是通过内核提供的函数来实现。

用户空间与内核空间之间的接口函数
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内核为用户空间提供了一系列的例程或函数，用户的应用程序利用这些接口来与硬件交互
。通常，在UNIX或Linux系统中，这种对话是通过函数或子程序来读写文件的。原因是从
用户的角度来看，UNIX设备就是文件。

另一方面，在内核空间中Linux也提供了一系列的函数或子程序来完成底层与硬件的交互
，并允许从内核向用户空间传递信息。

通常，每个用户空间的（设备或文件允许使用的）函数，都能在内核空间中找到一个类似
的函数，（允许信息从内核传递给用户空间，反之亦然）

内核空间与硬件设备之间的接口函数
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内核空间中有许多函数用于控制硬件或在内核与硬件之间交互信息。

第一个驱动：在用户空间加载和移除驱动
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现在将展示如何完成第一个驱动，在内核中将看作模块

新建一个文件nothing.c如下

#include

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

2.6.x版本后的内核，编译模块会略微复杂一点。首先，需要有一份完整的、编译过的内
核源码树。在下面的文字中，将假设使用2。6。8版本的内核。

其次，需要一个makefile文件，本例中的makefile文件名为Makefile，内容如下：

obj-m := nothing.o

与之前版本的内核不同，现在编译模块时使用的内核需要与模块将要加载的内核相同。
编译上面的文件，可以使用命令：

make -C /usr/src/kernel-source-2.6.8 M=pwd modules

这个极其简单的模块就属于内核空间，一旦其被加载，它就是内核空间的一部分。
在用户空间，可以使用下面的命令加载它，需要root权限：

insmod nothing.ko

insmod 这个命令用于为内核加载模块。尽管现在我们已经加载了nothing.ko这个模块，
但是这个模块毕竟没有任何用处。

可以通过查看系统里已加载的模块来检查是否已经成功加载了nothing.ko

lsmod

最后，需要卸载该模块时使用下面的命令：

rmmod nothing

重新使用lsmod，可以发现nothing模块已经不在了。

"Hello world"驱动：在内核空间加载和移除驱动
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当一个模块设备驱动加载到内核，将执行一些初始的工作，如重新设置设备，reserving
RAM, reserving interrupts, reserving input/output ports, etc.

这些工作得以在内核空间执行，必须要有两个函数存在：module_init 和
module_exit;它们对应于用户空间的insmod和rmmod命令。总之，用户命令insmod和
rmmod使用了内核空间的函数module_init和module_exit.

来看一个经典的程序 HELLO WORLD：
//hello.c
#include
#include
#inlucde

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

static int hello_init(void)
{
        printk("<1> Hello world!\n");
        return 0;
}

static void hello_exit(void)
{
        printk("<1> Bye, cruel world!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

其中hello_init 和 hello_exit 函数可以取任意名，但为了加载和移除功能是更容易识
别，它们作为参数传递给函数module_init 和 module_exit.

printk函数与printf函数非常类似，但printk只工作在内核中。<1>表示打印信息
为最高优先级（数字越低，优先级越高）。这样，不仅可以在内核系统日志中看到该
打印信息，还能在系统控制台接收到该打印信息。

可以用之前的命令来编译这个模块，此时只需要将模块名加入到Makefile文件中即可：

obj-m := nothing.o hello.o

本文的其他部分，将Makefile作为给读者的练习。一个完整的Makefile文件可以编译
本教程中的所有示例模块。

当模块被加载或卸载时，通过printk打印的信息将会出现在系统控制台。如果打印
信息没有出现在终端里，则可通过dmesg命令或查看系统日志文件（cat
var/log/syslog）看到打印信息。

一个完整的驱动“memory“：此驱动的初始部分
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接着将介绍如何构建一个完整的设备驱动：memory.c。可以从该设备中读取一个字符，
也可向其写入一个字符。这个设备并没有实际意义，只是因为它是一个完整的
驱动程序，遂将其作为一个实例来说明。它很容易实现，因为它并不是一个正真的
硬件设备的接口（除了电脑本身）。

这个驱动中，要添加几个在设备驱动程序中频繁出现的头文件

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

int memory_open(struct inode *inode, struct file *filp);
int memory_release(struct inode *inode, struct file *filp);
ssize_t memory_read(struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t
        *f_pos);
ssize_t memory_write(struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t
        *f_pos);
void memory_exit(void);
int memory_init(void);

struct file_operations memory_fops = {
        read: memory_read,
        write: memory_write,
        open: memory_open,
        release: memory_release
};

module_init(memory_init);
module_exit(memory_exit);

int memory_major = 60;

char *memory_buffer;

在头文件之后，声明了几个后面要定义的函数。在file_operations结构的定义中声明了
几个通常用来操作文件的函数。这些在后面会详细介绍到。接着，向内核声明初始化和
退出函数-加载和卸载模块时使用的。最后，声明驱动的全局变量：memory_major表示驱
动的主驱动号，memory_buffer指向一块用于存储驱动数据的内存区域。

“memory”驱动：设备与其文件的连接
==================================
在UNIX和Linux中，从用户空间访问设备与访问文件相同。这些设备文件通常位于/dev目
录下。

将一个普通文件与设备文件关联起来需要使用两个数字：major number 和 minor
number。内核使用major number将一个文件链接到它的驱动。而minor number是供设备内
部使用。

要做到这一点，一个文件（将用于访问设备驱动程序）的创建必须使用root身份键入以下
命令：

mknod /dev/memory c 60 0

上面这句命令中，c表示创建一个字符设备，该设备的主驱动号major number为60，次驱
动号minor number为0。

对于这个驱动，为了在内核空间将其链接到对应的/dev下的文件，需要使用
register_chrdev函数。调用该函数使用到三个参数：major number,
一个字符串用于表示该模块的名字，一个file_operations结构。
在安装模块时它以下面的方式被调用：

int memory_init(void)
{
        int result;

        result = register_chrdev(memory_major, "memory", &memory_fops);
        if (result < 0) {
                printk("<1>memory: can't obtain major number %d\n",
                        memory_major);
                return result;
        }

        memory_buffer = kmalloc(1, GFP_KERNEL);
        if (!memroy_buffer) {
                result = -ENOMEM;
                goto fail;
        }
        memset(memory_buffer, 0, 1);

        printk("<1> Inserting memory module\n");
        return 0;

fail:
        memory_exit();
        return result;
}

注意kmalloc函数的使用。这个函数在内核空间中分配一块用于设备驱动缓冲区的内存。
它的使用方法与著名的malloc函数类似。最后，如果注册主驱动号失败或分配内存失败，
这个模块也将失败。

“memory”驱动：移除驱动
========================
为了在memory_exit函数中移除模块，需要使用到unregsiter_chrdev函数。它将为内核
释放相应的主驱动号。

void memory_exit(void)
{
        unregister_chrdev(memory_major, "memory");

        if (memory_buffer) {
                kfree(memory_buffer);
        }

        printk("<1> Removing memory module\n");
}

为了在移除驱动时还原一个干净的内核，在这个函数中同时释放了驱动的缓冲区。

“memory”驱动：像打开文件一样打开设备
======================================
内核空间中与用户空间中打开文件（fopen）相对应的是open：调用register_chrdev时
使用到了一个file_operations结构，而open正是这个结构的成员。open函数的参数有：
一个inode结构，它向内核传递有关主驱动号major number和次驱动号minor number的相
关信息；一个file结构，该结构中包括操作文件的多个不同函数。但本文并不对这些函数
作详细介绍。

当一个文件被打开，通常需要初始化驱动变量或重新设置这个设备。但在这个例子中这
些没有做这些工作。

memory_open函数如下：

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

“memory”驱动：像关闭文件一样关闭设备
======================================
与用户空间中关闭文件（fclose）相对应的是release：调用register_chrdev时使用到一
个file_operations结构，release正是该结构的成员。在本例中，它对应
memory_release函数，与前面类似，它也有两个参数：inode结构和file结构。

当一个文件关闭，通常需要释放已使用的内存和任何打开文件时关链到的变量。但是，同
样的因为本例十分简单，这些工作这里都没有做。

memory_release函数如下：

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

“memory”驱动：读设备
======================
同样，对应于用户空间读文件的fread，这里用到read：它也是file_operations结构的成
员。这里它对应memory_read函数。它的参数有：一个file结构；一个缓冲区buf，用户
空间从该缓冲区中读数据；一个计数器count记录传输的字节；最后，还有f_pos，用来
指示从文件的哪里开始读取。

在本例中，memory_read函数使用函数copy_to_user从驱动缓冲区中发送一个字节给用户
空间：

ssize_t memory_read(struct *file filp, char *buf,
        size_t count, loff_t *f_pos)
{
        copy_to_user(buf, memory_buffer, 1);

        if (*f_pos == 0) {
                *f_pos += 1;
                return 1;
        } else {
                return 0;
        }
}

读数位置f_pos同时也会改变。如果从文件开头读起，f_pos会以1递增，并且返回已正确
读到的字节数，即1。如果不是从文件开头读起，文件的结束标志0将被返回，因为文件中
没有数据。

“memory”驱动：写设备
======================
与fwrite类似，内核空间有write：它是file_operations结构的成员。本例中为
memory_write，有下面几个参数：一个file结构；buf缓冲区，供用户空间写入；count，
计数器记录写入数据的字节数；f_pos，写入的位置。

ssize_t memory_write(struct file *filp, char *buf,
        size_t count, loff_t *f_pos)
{
        char *tmp;

        tmp = buf + count - 1;
        copy_from_user(memory_buffer, tmp, 1);
        return 1;
}

此处，copy_from_user将数据从用户空间传送到内核空间。

完整的“memory“驱动
====================
加入之前的所有代码后，便组成了完整的memory驱动memory.c：









在使用本驱动之前，当然需要先编译它，方法与前面类似。加载模块：

insmod memory.ko

很方便即可取消对设备的保护：

chmod 666 /dev/memory

如果一切顺利，将有一个设备/dev/memory存在，且可以将其中写字符串或字符，它将存
储字符串或多个字符中的最后一个。可以像这样来操作：

echo -n abcdef > /dev/memory

使用cat来检查这个设备的内容：

cat /dev/memory

已存的字符不会改变，除非再写入覆盖它或这个模块被卸载。

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附：
实例2 memory 驱动实验：

代码 memory.c

#include <linux/init.h>
//#include

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/fcntl.h>
//#include

#include <linux/uaccess.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

int memory_open(struct inode *inode, struct file *filp);
int memory_release(struct inode *inode, struct file *filp);
ssize_t memory_read(struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos);
ssize_t memory_write(struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos);
void memory_exit(void);
int memory_init(void);

struct file_operations memory_fops = {
        read:memory_read,
        write:memory_write,
        open:memory_open,
        release:memory_release
};

module_init(memory_init);
module_exit(memory_exit);

int memory_major = 60;

char *memory_buffer;

int memory_init(void)
{
        int result;

        result = register_chrdev(memory_major, "memory", &memory_fops);
        if (result < 0) {
                printk("<1>memory: can't obtain major number %d\n", memory_major);
                return result;
        }

        memory_buffer = kmalloc(1, GFP_KERNEL);
        if (!memory_buffer) {
                result = - ENOMEM;
                goto fail;
        }
        memset(memory_buffer, 0, 1);

        printk("<1>Inserting memory module\n");
        return 0;

fail:
        memory_exit();
        return result;
}

void memory_exit(void)
{
        unregister_chrdev(memory_major, "memory");

        if (memory_buffer)
                kfree(memory_buffer);

        printk("<1>Removing memory module\n");
}

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

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

ssize_t memory_read(struct file *filp, char *buf,
        size_t count, loff_t *f_pos)
{
        copy_to_user(buf, memory_buffer, 1);

        if (*f_pos == 0) {
                *f_pos += 1;
                return 1;
        } else
                return 0;
}

ssize_t memory_write(struct file *filp, char *buf,
        size_t count, loff_t *f_pos)
{
        char *tmp;
        
        tmp = buf + count - 1;
        copy_from_user(memory_buffer, tmp, 1);

        return 1;
}


Makefile:

obj-m := memory.o

KERNELDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)

modules:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules


编译：make
生成文件中有 memory.ko， 该文件即要使用的目标模块

加载：sudo insmod ./memory.ko

查看dmesg信息：dmesg | tail -n 1
[10911.945739] Inserting memory module

改变操作设备文件权限：sudo chmod 666 /dev/memory

向驱动中写入数据：echo -n abcdefg > /dev/memory

查看驱动中保存的数据：
[linux@ ~]$ cat /dev/memory
g[linux@ ~]$

可见其为最后写入的数据。

卸载驱动：
[linux@ ~]$ sudo rmmod memory
[linux@ ~]$ dmesg | tail -n 2
[10911.945739] Inserting memory module
[11155.809076] Removing memory module


----------------------------实验完毕

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分析
上面代码中主要有五个函数重点注意下：
register_chrdev
unregister_chrdev
copy_to_user
copy_from_user
kmalloc

/*
 * 成功：返回0
 * 失败：-EINVAL表示申请的主设备号非法（可能是主设备号大于最大设备号）
 *       -EBUSY 表示所申请的主设备号已为其它设备使用
 * 如果动态分配成功，则此函数将返回主设备号
 *
 */
static inline int register_chrdev(
        unsigned int major, //设备驱动向内核申请主设备号，若为0则系统动态分配一个主设备号
        const char *name, //设备名
        const struct file_operations *fops //各调用的入口点
        );

static inline void unregister_chrdev(
        unsigned int major,
        const char *name
        );


arch/x86/lib/usercopy_32.c
/**
 * copy_to_user: - Copy a block of data into user space.
 * @to:   Destination address, in user space.
 * @from: Source address, in kernel space.
 * @n:    Number of bytes to copy.
 *
 * Context: User context only.  This function may sleep.
 *
 * Copy data from kernel space to user space.
 *
 * Returns number of bytes that could not be copied.
 * On success, this will be zero.
 */
unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n);

/**
 * copy_from_user: - Copy a block of data from user space.
 * @to:   Destination address, in kernel space.
 * @from: Source address, in user space.
 * @n:    Number of bytes to copy.
 *
 * Context: User context only.  This function may sleep.
 *
 * Copy data from user space to kernel space.
 *
 * Returns number of bytes that could not be copied.
 * On success, this will be zero.
 *
 * If some data could not be copied, this function will pad the copied
 * data to the requested size using zero bytes.
 */
unsigned long _copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n);


在内核中动态开辟内存
void *kmalloc(size_t size, int flags);
size：要分配内存的大小
flags：分配标志，以几个方式控制kmalloc的行为