字符设备 字符设备是指在I/O传输过程中以字符为单位进行传输的设备,例如键盘,打印机等。请注意,以字符为单位并不一定意味着是以字节为单位,因为有的编码规则规定,1个字符占16比特,合2个字节。 在UNIX系统中,字符设备以特别文件方式在文件目录树中占据位置并拥有相应的i结点。i结点中的文件类型指明该文件是字符设备文件。可以使用与普通文件相同的文件操作命令对字符设备文件进行操作,例如打开、关闭、读、写等
字符设备是最基本、最常用的设备。概括的说,字符设备驱动主要要做三件事:1、定义一个结构体static struct file_operations变量,其内定义一些设备的打开、关闭、读、写、控制函数;2、在结构体外分别实现结构体中定义的这些函数;3、向内核中注册或删除驱动模块。具体如下:
字符设备提供给应用程序流控制接口有:open/close/read/write/ioctl,添加一个字符设备驱动程序,实际上是给上述操作添加对应的代码,Linux对这些操作统一做了抽象 struct file_operations file_operations结构体的例子如下 static struct file_operations myDriver_fops = { owner: THIS_MODULE, write: myDriver_write, read: myDriver_read, ioctl: myDriver_ioctl, open: myDriver_open, release: myDriver_release, }; 该结构体规定了驱动程序向应用程序提供的操作接口: 实现write操作 从应用程序接收数据送到硬件。例: static ssize_t myDriver_write(struct file *filp, const char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { size_t fill_size = count; PRINTK("myDriver write called!\n"); PRINTK("\tcount=%d, pos=%d\n", count, (int)*f_pos);
if(*f_pos >= sizeof(myDriver_Buffer)) { PRINTK("[myDriver write]Buffer Overlap\n"); *f_pos = sizeof(myDriver_Buffer); return 0; }
if((count + *f_pos) > sizeof(myDriver_Buffer)) { PRINTK("count + f_pos > sizeof buffer\n"); fill_size = sizeof(myDriver_Buffer) - *f_pos; } copy_from_user(&myDriver_Buffer[*f_pos], buf, fill_size); *f_pos += fill_size; return fill_size; } 其中的关键函数 u_long copy_from_user(void *to, const void *from, u_long len); 把用户态的数据拷到内核态,实现数据的传送。 实现read操作 从硬件读取数据并交给应用程序。例: static ssize_t myDriver_read(struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { size_t read_size = count; PRINTK("myDriver read called!\n"); PRINTK("\tcount=%d, pos=%d\n", count, (int)*f_pos);
if(*f_pos >= sizeof(myDriver_Buffer)) { PRINTK("[myDriver read]Buffer Overlap\n"); *f_pos = sizeof(myDriver_Buffer); return 0; }
if((count + *f_pos) > sizeof(myDriver_Buffer)) { PRINTK("count + f_pos > sizeof buffer\n"); read_size = sizeof(myDriver_Buffer) - *f_pos; } copy_to_user(buf, &myDriver_Buffer[*f_pos], read_size); *f_pos += read_size; return read_size; } 其中的关键函数 u_long copy_to_user(void * to, const void *from, u_long len); 该函数实现把内核态的数据拷到用户态下。 实现ioctl操作 为应用程序提供对硬件行为的控制。例: static int myDriver_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) { PRINTK("myDriver ioctl called(%d)!\n", cmd); if(_IOC_TYPE(cmd) != TSTDRV_MAGIC) { return -ENOTTY; } if(_IOC_NR(cmd) >= TSTDRV_MAXNR) { return -ENOTTY; } switch(cmd) { case MYDRV_IOCTL0: PRINTK("IOCTRL 0 called(0x%lx)!\n", arg); break; case MYDRV_IOCTL1: PRINTK("IOCTRL 1 called(0x%lx)!\n", arg); break; case MYDRV_IOCTL2: PRINTK("IOCTRL 2 called(0x%lx)!\n", arg); break; case MYDRV_IOCTL3: PRINTK("IOCTRL 3 called(0x%lx)!\n", arg); break; } return 0; } 实现open操作 当应用程序打开设备时对设备进行初始化,使用MOD_INC_USE_COUNT增加驱动程序的使用次数。例: static int myDriver_open(struct inode *inode, struct file *filp) { MOD_INC_USE_COUNT; PRINTK("myDriver open called!\n"); return 0; } 实现release操作 当应用程序关闭设备时处理设备的关闭操作。使用MOD_DEC_USE_COUNT增加驱动程序的使用次数。例: static int myDriver_release(struct inode *inode, struct file *filp) { MOD_DEC_USE_COUNT; PRINTK("myDriver release called!\n"); return 0; } 驱动程序初始化函数 Linux在加载内核模块时会调用初始化函数,初始化驱动程序本身使用register_chrdev向内核注册驱动程序,该函数的第三个指向包含有驱动程序接口函数信息的file_operations结构体。 例: /* Module Init & Exit function */ #ifdef CONFIG_DEVFS_FS devfs_handle_t devfs_myDriver_dir; devfs_handle_t devfs_myDriver_raw; #endif static int __init myModule_init(void) { /* Module init code */ PRINTK("myModule_init\n"); /* Driver register */ myDriver_Major = register_chrdev0,DRIVER_NAME,&myDriver_fops); if(myDriver_Major < 0) { PRINTK("register char device fail!\n"); return myDriver_Major; } PRINTK("register myDriver OK! Major = %d\n", myDriver_Major); #ifdef CONFIG_DEVFS_FS devfs_myDriver_dir = devfs_mk_dir(NULL, "myDriver", NULL); devfs_myDriver_raw = devfs_register(devfs_myDriver_dir, "raw0", DEVFS_FL_DEFAULT, myDriver_Major, 0, S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR, &myDriver_fops, NULL); PRINTK("add dev file to devfs OK!\n"); #endif return 0; } 其中,关键函数 module_init() 向内核声明当前模块的初始化函数 驱动程序退出函数 Linux在卸载内核模块时会调用退出函数释放驱动程序使用的资源,使用unregister_chrdev从内核中卸载驱动程序。将驱动程序模块注册到内核,内核需要知道模块的初始化函数和退出函数,才能将模块放入自己的管理队列中。 例: static void __exit myModule_exit(void) { /* Module exit code */ PRINTK("myModule_exit\n"); /* Driver unregister */ if(myDriver_Major > 0) { #ifdef CONFIG_DEVFS_FS devfs_unregister(devfs_myDriver_raw); devfs_unregister(devfs_myDriver_dir); #endif unregister_chrdev(myDriver_Major, DRIVER_NAME); } return; } 其中,关键函数 module_exit() 向内核声明当前模块的退出函数。 关于devfs的操作 在devfs中建立一个目录(/dev下) devfs_handle_t devfs_mk_dir (devfs_handle_t dir, const char *name, void *info); 在devfs中注册一个设备文件节点 devfs_handle_t 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devfs中删除一个设备文件节点 void devfs_unregister(devfs_handle_t de); 加载驱动程序 在终端下,输入以下命令可以对模块进行相关的操作。 insmod 内核模块文件名 rmmod 内核模块文件名 lsmod 列举出当前全部的加载模块文件名 建立设备文件 mknod 文件路径 c [主设备号] [从设备号] 应用程序接口函数 可以使用标准C的文件操作函数来完成。 应用程序接口函数: int open(const char *path, int oflag,…); 打开名为path的文件或设备 成功打开后返回文件句柄 常用oflag:O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR int close(int fd); 关闭之前被打开的文件或设备 成功关闭返回0,否则返回错误代号 ssize_t read(int fd, void *buffer, size_t count); 从已经打开的文件或设备中读取数据 buffer表示应用程序缓冲区 count表示应用程序希望读取的数据长度 成功读取后返回读取的字节数,否则返回-1 ssize_t write(int fd, void *buffer, size_t count); 向已经打开的文件或设备中写入数据 buffer表示应用程序缓冲区 count表示应用程序希望写入的数据长度 成功写入后返回写入的字节数,否则返回-1 int ioctl(int fd, unsigned long int cmd,…); 向驱动程序发送控制命令 cmd需是唯一值 type:又称幻数,8bit,一般表示cmd所属模块 number:cmd序号,8bit,一般表示实际的命令 direction:数据传输方向,2bit size:数据大小,位数与体系结构有关(ARM:12bit) sizeof(int)-(sizeof(type)+sizeof(number)+sizeof(direction)) 使用_IO宏可快速合成cmd:_IO(MAGIC, num)
附:完整的示例驱动程序 // tst-driver.h #ifndef __TST_DRIVER_H__ #define __TST_DRIVER_H__ #define TSTDRV_MAGIC 0xd0 #define MYDRV_IOCTL0 _IO(TSTDRV_MAGIC, 0) #define MYDRV_IOCTL1 _IO(TSTDRV_MAGIC, 1) #define MYDRV_IOCTL2 _IO(TSTDRV_MAGIC, 2) #define MYDRV_IOCTL3 _IO(TSTDRV_MAGIC, 3) #define TSTDRV_MAXNR 4 #endif //#ifndef __TST_DRIVER_H__ // tst-driver.c #ifndef __KERNEL__ #define __KERNEL__ #endif #ifndef MODULE #define MODULE #endif #include <linux/config.h> #include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> /* printk() */ #include <linux/init.h> /* __init __exit */ #include <linux/types.h> /* size_t */ #include <linux/fs.h> /* file_operation */ //#include /* Error number */ //#include /* udelay */ #include <asm/uaccess.h> /* copy_to_user, copy_from_user */ #include <asm/hardware.h> #include "tst-driver.h" #define DRIVER_NAME "myDriver" //#undef CONFIG_DEVFS_FS #ifdef DEBUG #define PRINTK(fmt, arg...) printk(KERN_NOTICE fmt, ##arg) #else #define PRINTK(fmt, arg...) #endif /* KERN_EMERG 用于紧急事件,一般是系统崩溃前的提示信息 KERN_ALERT 用于需要立即采取动作的场合 KERN_CRIT 临界状态,通常设计验证的硬件或软件操作失败 KERN_ERR 用于报告错误状态.设备驱动程序通常会用它报告来自硬件的问题 KERN_WARNING 就可能出现的问题提出警告.这些问题通常不会对系统造成严重破坏 KERN_NOTICE 有必要提示的正常情况.许多安全相关的情况用这个级别汇报 KERN_INFO 提示性信息.有很多驱动程序在启动时用这个级别打印相关信息 KERN_DEBUG 用于调试的信息 */ static int myDriver_Major = 0; /* Driver Major Number */ /* Vitual Driver Buffer */ static unsigned char myDriver_Buffer[1024*1024]; /* Driver Operation Functions */ static int myDriver_open(struct inode *inode, struct file *filp) { // int Minor = MINOR(inode->i_rdev); // filp->private_data = 0; MOD_INC_USE_COUNT; PRINTK("myDriver open called!\n"); return 0; } static int myDriver_release(struct inode *inode, struct file *filp) { // int Minor = MINOR(inode->i_rdev); MOD_DEC_USE_COUNT; PRINTK("myDriver release called!\n"); return 0; } static ssize_t myDriver_read(struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { size_t read_size = count; PRINTK("myDriver read called!\n"); PRINTK("\tcount=%d, pos=%d\n", count, (int)*f_pos); if(*f_pos >= sizeof(myDriver_Buffer)) { PRINTK("[myDriver read]Buffer Overlap\n"); *f_pos = sizeof(myDriver_Buffer); return 0; } if((count + *f_pos) > sizeof(myDriver_Buffer)) { PRINTK("count + f_pos > sizeof buffer\n"); read_size = sizeof(myDriver_Buffer) - *f_pos; } copy_to_user(buf, &myDriver_Buffer[*f_pos], read_size); *f_pos += read_size; return read_size; } static ssize_t myDriver_write(struct file *filp, const char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { size_t fill_size = count; PRINTK("myDriver write called!\n"); PRINTK("\tcount=%d, pos=%d\n", count, (int)*f_pos); if(*f_pos >= sizeof(myDriver_Buffer)) { PRINTK("[myDriver write]Buffer Overlap\n"); *f_pos = sizeof(myDriver_Buffer); return 0; } if((count + *f_pos) > sizeof(myDriver_Buffer)) { PRINTK("count + f_pos > sizeof buffer\n"); fill_size = sizeof(myDriver_Buffer) - *f_pos; } copy_from_user(&myDriver_Buffer[*f_pos], buf, fill_size); *f_pos += fill_size; return fill_size; } static int myDriver_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) { PRINTK("myDriver ioctl called(%d)!\n", cmd); if(_IOC_TYPE(cmd) != TSTDRV_MAGIC) { return -ENOTTY; } if(_IOC_NR(cmd) >= TSTDRV_MAXNR) { return -ENOTTY; } switch(cmd) { case MYDRV_IOCTL0: PRINTK("IOCTRL 0 called(0x%lx)!\n", arg); break; case MYDRV_IOCTL1: PRINTK("IOCTRL 1 called(0x%lx)!\n", arg); break; case MYDRV_IOCTL2: PRINTK("IOCTRL 2 called(0x%lx)!\n", arg); break; case MYDRV_IOCTL3: PRINTK("IOCTRL 3 called(0x%lx)!\n", arg); break; } return 0; } /* Driver Operation structure */ static struct file_operations myDriver_fops = { owner: THIS_MODULE, write: myDriver_write, read: myDriver_read, ioctl: myDriver_ioctl, open: myDriver_open, release: myDriver_release, }; /* Module Init & Exit function */ #ifdef CONFIG_DEVFS_FS devfs_handle_t devfs_myDriver_dir; devfs_handle_t devfs_myDriver_raw; #endif static int __init myModule_init(void) { /* Module init code */ PRINTK("myModule_init\n"); /* Driver register */ myDriver_Major = register_chrdev(0, DRIVER_NAME, &myDriver_fops); if(myDriver_Major < 0) { PRINTK("register char device fail!\n"); return myDriver_Major; } PRINTK("register myDriver OK! Major = %d\n", myDriver_Major); #ifdef CONFIG_DEVFS_FS devfs_myDriver_dir = devfs_mk_dir(NULL, "myDriver", NULL); devfs_myDriver_raw = devfs_register(devfs_myDriver_dir, "raw0", DEVFS_FL_DEFAULT, myDriver_Major, 0, S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR, &myDriver_fops, NULL); PRINTK("add dev file to devfs OK!\n"); #endif return 0; } static void __exit myModule_exit(void) { /* Module exit code */ PRINTK("myModule_exit\n"); /* Driver unregister */ if(myDriver_Major > 0) { #ifdef CONFIG_DEVFS_FS devfs_unregister(devfs_myDriver_raw); devfs_unregister(devfs_myDriver_dir); #endif unregister_chrdev(myDriver_Major, DRIVER_NAME); } return; } MODULE_AUTHOR("SXZ"); MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL"); module_init(myModule_init); module_exit(myModule_exit);
注:小志整理 |