Linux字元裝置驅動程式的編寫架構

Linux字元裝置驅動程式的編寫架構

 

一、Linux device driver 的概念

系統調用是作業系統核心和應用程式之間的介面，裝置驅動程式是作業系統核心和機器硬體之間的介面。裝置驅動程式為應用程式屏蔽了硬體的細節，這樣在應用程式看來，硬體裝置只是一個裝置檔案，應用程式可以象操作普通檔案一樣對硬體裝置進行操作。裝置驅動程式是核心的一部分，它完成以下的功能:

1、對裝置初始化和釋放；

2、把資料從核心傳送到硬體和從硬體讀取資料；

3、讀取應用程式傳送給裝置檔案的資料和回送應用程式請求的資料；

4、檢測和處理裝置出現的錯誤。

在Linux作業系統下有三類主要的裝置檔案類型，一是字元裝置，二是塊裝置，三是網路裝置。字元裝置和塊裝置的主要區別是:在對字元裝置發出讀/寫請求時，實際的硬體I/O一般就緊接著發生了，塊裝置則不然，它利用一塊系統記憶體作緩衝區，當使用者進程對裝置請求能滿足使用者的要求，就返回請求的資料，如果不能，就調用請求函數來進行實際的I/O操作。塊裝置是主要針對磁碟等慢速裝置設計的，以免耗費過多的CPU時間來等待。

已經提到，使用者進程是通過裝置檔案來與實際的硬體打交道。每個裝置檔案都都有其檔案屬性(c/b)，表示是字元裝置還是塊裝置?另外每個檔案都有兩個裝置號，第一個是主裝置號，標識驅動程式，第二個是從裝置號，標識使用同一個裝置驅動程式的不同的硬體裝置，比如有兩個磁碟片，就可以用從裝置號來區分他們。裝置檔案的的主裝置號必須與裝置驅動程式在登記時申請的主裝置號一致，否則使用者進程將無法訪問到驅動程式。

最後必須提到的是，在使用者進程調用驅動程式時，系統進入核心態，這時不再是搶先式調度。也就是說，系統必須在你的驅動程式的子函數返回後才能進行其他的工作。如果你的驅動程式陷入死迴圈，不幸的是你只有重新啟動機器了，然後就是漫長的fsck。

二、執行個體剖析

我們來寫一個最簡單的字元裝置驅動程式。雖然它什麼也不做，但是通過它可以瞭解Linux的裝置驅動程式的工作原理。把下面的C代碼輸入機器，你就會獲得一個真正的裝置驅動程式。

由於使用者進程是通過裝置檔案同硬體打交道，對裝置檔案的操作方式不外乎就是一些系統調用，如 open，read，write，close…， 注意，不是fopen， fread，但是如何把系統調用和驅動程式關聯起來呢?這需要瞭解一個非常關鍵的資料結構：
struct file_operations {
int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);
int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int);
int (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);
int (*readdir) (struct inode * ，struct file *， struct dirent * ，int);
int (*select) (struct inode * ，struct file *， int ，select_table *);
int (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long);
int (*mmap) (struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode * ，struct file *);
int (*release) (struct inode * ，struct file *);
int (*fsync) (struct inode * ，struct file *);
int (*fasync) (struct inode * ，struct file *，int);
int (*check_media_change) (struct inode * ，struct file *);
int (*revalidate) (dev_t dev);
}

 這個結構的每一個成員的名字都對應著一個系統調用。使用者進程利用系統調用在對裝置檔案進行諸如read/write操作時，系統調用通過裝置檔案的主裝置號找到相應的裝置驅動程式，然後讀取這個資料結構相應的函數指標，接著把控制權交給該函數。這是linux的裝置驅動程式工作的基本原理。既然是這樣，則編寫裝置驅動程式的主要工作就是編寫子函數，並填充file_operations的各個域。

下面就開始寫子程式。
#include <linux/types.h> 基本的類型定義
#include <linux/fs.h> 檔案系統使用相關的標頭檔
#include <linux/mm.h>
#include <linux/errno.h>
#include <asm/segment.h>
unsigned int test_major = 0;
static int read_test(struct inode *inode，struct file *file，char *buf，int count)
{
int left; 使用者空間和核心空間
if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT )
return -EFAULT;
for(left = count ; left > 0 ; left--)
{
__put_user(1，buf，1);
buf++;
}
return count;
}

 這個函數是為read調用準備的。當調用read時，read_test()被調用，它把使用者的緩衝區全部寫1。buf 是read調用的一個參數。它是使用者進程空間的一個地址。但是在read_test被調用時，系統進入核心態。所以不能使用buf這個地址，必須用__put_user()，這是kernel提供的一個函數，用於向使用者傳送資料。另外還有很多類似功能的函數。請參考，在向使用者空間拷貝資料之前，必須驗證buf是否可用。這就用到函數verify_area。為了驗證BUF是否可以用。

static int write_test(struct inode *inode，struct file *file，const char *buf，int count)
{
return count;
}
static int open_test(struct inode *inode，struct file *file )
{
MOD_INC_USE_COUNT; 模組計數加以，表示當前核心有個裝置載入核心當中去
return 0;
}
static void release_test(struct inode *inode，struct file *file )
{
MOD_DEC_USE_COUNT;
}

這幾個函數都是空操作。實際調用發生時什麼也不做，他們僅僅為下面的結構提供函數指標。
struct file_operations test_fops = {?
read_test，
write_test，
open_test，
release_test，
}; 

裝置驅動程式的主體可以說是寫好了。現在要把驅動程式嵌入核心。驅動程式可以按照兩種方式編譯。一種是編譯進kernel，另一種是編譯成模組(modules)，如果編譯進核心的話，會增加核心的大小，還要改動核心的源檔案，而且不能動態卸載，不利於調試，所以推薦使用模組方式。

int init_module(void)
{
int result;
result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops); 對裝置操作的整個介面
if (result < 0) {
printk(KERN_INFO "test: can't get major number/n");
return result;
}
if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */
return 0;
}  

在用insmod命令將編譯好的模組調入記憶體時，init_module 函數被調用。在這裡，init_module只做了一件事，就是向系統的字元裝置表登記了一個字元裝置。register_chrdev需要三個參數，參數一是希望獲得的裝置號，如果是零的話，系統將選擇一個沒有被佔用的裝置號返回。參數二是裝置檔案名稱，參數三用來登記驅動程式實際執行操作的函數的指標。

如果登記成功，返回裝置的主裝置號，不成功，返回一個負值。
void cleanup_module(void)
{
unregister_chrdev(test_major，"test");
} 

在用rmmod卸載模組時，cleanup_module函數被調用，它釋放字元裝置test在系統字元裝置表中佔有的表項。

一個極其簡單的字元裝置可以說寫好了，檔案名稱就叫test.c吧。

下面編譯 :

$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c –c表示輸出制定名，自動產生.o檔案

得到檔案test.o就是一個裝置驅動程式。

如果裝置驅動程式有多個檔案，把每個檔案按上面的命令列編譯，然後

ld ?-r ?file1.o ?file2.o ?-o ?modulename。

驅動程式已經編譯好了，現在把它安裝到系統中去。

$ insmod ?–f ?test.o

如果安裝成功，在/proc/devices檔案中就可以看到裝置test，並可以看到它的主裝置號。要卸載的話，運行 :

$ rmmod test

下一步要建立裝置檔案。

mknod /dev/test c major minor

c 是指字元裝置，major是主裝置號，就是在/proc/devices裡看到的。

用shell命令

$ cat /proc/devices

就可以獲得主裝置號，可以把上面的命令列加入你的shell script中去。

minor是從裝置號，設定成0就可以了。

我們現在可以通過裝置檔案來訪問我們的驅動程式。寫一個小小的測試程式。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
main()
{
int testdev;
int i;
char buf[10];
testdev = open("/dev/test"，O_RDWR);
if ( testdev == -1 )
{
printf("Cann't open file /n");
exit(0);
}
read(testdev，buf，10);
for (i = 0; i < 10;i++)
printf("%d/n"，buf[i]);
close(testdev);
}

編譯運行，看看是不是列印出全1 ？

以上只是一個簡單的示範。真正實用的驅動程式要複雜的多，要處理如中斷，DMA，I/O port等問題。這些才是真正的痛點。上述給出了一個簡單的字元裝置驅動編寫的架構和原理，更為複雜的編寫需要去認真研究LINUX核心的運行機制和具體的裝置啟動並執行機制等等。希望大家好好掌握LINUX裝置驅動程式編寫的方法。