Linux裝置驅動程式學習（1） -字元裝置驅動程式

《Linux裝置驅動程式（第3版）》第三章字元裝置驅動程式的學習。
這一章主要通過介紹字元裝置scull（Simple Character Utility for Loading Localities，地區裝載的簡單字元工具）的驅動程式編寫，來學習Linux裝置驅動的基本知識。scull可以為真正的裝置驅動程式提供樣板。一、主裝置號和次裝置號
主裝置號表示裝置對應的驅動程式；次裝置號由核心使用，用於正確確定裝置檔案所指的裝置。
核心用dev_t類型（<linux/types.h>）來儲存裝置編號，dev_t是一個32位的數，12位表示主裝置號，20為表示次裝置號。
在實際使用中，是通過<linux/kdev_t.h>中定義的宏來轉換格式。

(dev_t)-->主裝置號、次裝置號	MAJOR(dev_t dev) MINOR(dev_t dev)
主裝置號、次裝置號-->(dev_t)	MKDEV(int major,int minor)

   建立一個字元裝置之前，驅動程式首先要做的事情就是獲得裝置編號。其這主要函數在<linux/fs.h>中聲明：

int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count,char *name);   //指定裝置編號int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor,unsigned int count, char *name);   //動態產生裝置編號void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);      //釋放裝置編號

分配之裝置號的最佳方式是：預設採用動態分配，同時保留在載入甚至是編譯時間指定主裝置號的餘地。

以下是在scull.c中用來擷取主裝置好的代碼：

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;}

在這部分中，比較重要的是在用函數擷取裝置編號後，其中的參數name是和該編號範圍關聯的裝置名稱，它將出現在/proc/devices和sysfs中。

看到這裡，就可以理解為什麼mdev和udev可以動態、自動地產生當前系統需要的裝置檔案。udev就是通過讀取sysfs下的資訊來識別硬體裝置的.

(請看《理解和認識udev》

URL：http://blog.chinaunix.net/u/6541/showart_396425.html)二、一些重要的資料結構

大部分基本的驅動程式操作涉及及到三個重要的核心資料結構，分別是file_operations、file和inode，它們的定義都在<linux/fs.h>。三、字元裝置的註冊

核心內部使用struct cdev結構來表示字元裝置。在核心調用裝置的操作之前，必須分配並註冊一個或多個struct cdev。代碼應包含<linux/cdev.h>，它定義了struct cdev以及與其相關的一些輔助函數。 註冊一個獨立的cdev裝置的基本過程如下：1、為struct cdev 分配空間(如果已經將struct cdev 嵌入到自己的裝置的特定結構體中，並分配了空間，這步略過！) struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();2、初始化struct cdev void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)3、初始化cdev.owner cdev.owner = THIS_MODULE;4、cdev設定完成，通知核心struct cdev的資訊（在執行這步之前必須確定你對struct cdev的以上設定已經完成！） int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)從系統中移除一個字元裝置：void cdev_del(struct cdev *p)以下是scull中的初始化代碼（之前已經為struct scull_dev 分配了空間）：

/* * Set up the char_dev structure for this device. */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;  //這句可以省略，在cdev_init中已經做過    err = cdev_add (&dev->cdev, devno, 1);/* Fail gracefully if need be 這步值得注意*/if (err)        printk(KERN_NOTICE "Error %d adding scull%d", err, index);}

四、scull模型的記憶體使用量

以下是scull模型的結構體：

/* * 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驅動程式引入了兩個Linux核心中用於記憶體管理的核心函數，它們的定義都在<linux/slab.h>:

void *kmalloc(size_t size, int flags);void kfree(void *ptr);

以下是scull模組中的一個釋放整個資料區的函數（類似清零），將在scull以寫方式開啟和scull_cleanup_module中被調用：

int scull_trim(struct scull_dev *dev){  struct scull_qset *next, *dptr;     int qset = dev->qset; /* 量子集中量子的個數*/     int i;     for (dptr = dev->data; dptr; dptr = next) { /* 迴圈scull_set個數次，直到dptr為NULL為止。*/         if (dptr->data) {               for (i = 0; i < qset; i++)/* 迴圈一個量子集中量子的個數次*/                    kfree(dptr->data[i]);/* 釋放其中一個量子的空間*/               kfree(dptr->data);/* 釋放當前的scull_set的量子集的空間*/               dptr->data = NULL;/* 釋放一個scull_set中的void **data指標*/          }      next = dptr->next; /* 準備下個scull_set的指標*/      kfree(dptr);/* 釋放當前的scull_set*/      }  dev->size = 0; /* 當前的scull_device所存的資料為0位元組*/  dev->quantum = scull_quantum;/* 初始化一個量子的大小*/  dev->qset = scull_qset;/* 初始化一個量子集中量子的個數*/  dev->data = NULL;/* 釋放當前的scull_device的struct scull_qset *data指標*/  return 0;}

以下是scull模組中的一個沿鏈表前行得到正確scull_set指標的函數，將在read和write方法中被調用：

/*Follow the list*/struct scull_qset *scull_follow(struct scull_dev *dev, int n){struct scull_qset *qs = dev->data;/* Allocate first qset explicitly if need be */if (! qs) {        qs = dev->data = kmalloc(sizeof(struct scull_qset), GFP_KERNEL);if (qs == NULL)return NULL; /* Never mind */memset(qs, 0, sizeof(struct scull_qset));}/* Then follow the list */while (n--) {if (!qs->next) {            qs->next = kmalloc(sizeof(struct scull_qset), GFP_KERNEL);if (qs->next == NULL)return NULL; /* Never mind */memset(qs->next, 0, sizeof(struct scull_qset));}        qs = qs->next;continue;}return qs;}

其實這個函數的實質是：如果已經存在這個scull_set，就返回這個scull_set的指標。如果不存在這個scull_set，一邊沿鏈表為scull_set分配空間一邊沿鏈表前行，直到所需要的scull_set被分配到空間並初始化為止，就返回這個scull_set的指標。 五、open和release

open方法提供給驅動程式以初始化的能力，為以後的操作作準備。應完成的工作如下：(1)檢查裝置特定的錯誤（如裝置未就緒或硬體問題）；(2)如果裝置是首次開啟，則對其進行初始化；(3)如有必要，更新f_op指標；(4)分配並填寫置於filp->private_data裡的資料結構。而根據scull的實際情況，他的open函數只要完成第四步（將初始化過的struct scull_dev dev的指標傳遞到filp->private_data裡，以備後用）就好了，所以open函數很簡單。但是其中用到了定義在<linux/kernel.h>中的container_of宏，源碼如下：

#define container_of(ptr, type, member) ({            \const typeof( ((type *)0)->member ) *__mptr = (ptr);    \(type *)( (char *)__mptr - offsetof(type,member) );})

其實從源碼可以看出，其作用就是：通過指標ptr，獲得包含ptr所指向資料（是member結構體）的type結構體的指標。即是用指標得到另外一個指標。release方法提供釋放記憶體，關閉裝置的功能。應完成的工作如下：（1）釋放由open分配的、儲存在file->private_data中的所有內容；（2）在最後一次關閉操作時關閉裝置。由於前面定義了scull是一個全域且持久的記憶體區，所以他的release什麼都不做。六、read和write

read和write方法的主要作用就是實現核心與使用者空間之間的資料拷貝。因為Linux的核心空間和使用者空間隔離的，所以要實現資料拷貝就必須使用在<asm/uaccess.h>中定義的：

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);

而值得一提的是以上兩個函數和

#define __copy_from_user(to,from,n) (memcpy(to, (void __force *)from, n), 0)#define __copy_to_user(to,from,n) (memcpy((void __force *)to, from, n), 0)

之間的關係：通過源碼可知，前者調用後者，但前者在調用前對使用者空間指標進行了檢查。至於read和write 的具體函數比較簡單，就在實驗中驗證好了。七、模組實驗這次模組實驗的使用是友善之臂SBC2440V4，使用Linux2.6.22.2核心。模組程式連結：scull模組來源程式

模組測試程式連結：模組測試程式測試結果：量子大小為6：

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.koscull_quantum=6[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat /proc/devicesCharacter devices:  1 mem  2 pty  3 ttyp  4 /dev/vc/0  4 tty  4 ttyS  5 /dev/tty  5 /dev/console  5 /dev/ptmx  7 vcs 10 misc 13 input 14 sound 81 video4linux 89 i2c 90 mtd116 alsa128 ptm136 pts180 usb189 usb_device204 s3c2410_serial252 scull253 usb_endpoint254 rtcBlock devices:  1 ramdisk256 rfd  7 loop 31 mtdblock 93 nftl 96 inftl179 mmc[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull0 c  252 0[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull1 c  252 1[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull2 c  252 2[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull3 c  252 3

啟動測試程式

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test write error! code=6 write error! code=6 write error! code=6 write ok! code=2 read error! code=6 read error! code=6 read error! code=6 read ok! code=2 [0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4 [5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9 [10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14 [15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19

改變數子大小為預設值4000：

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/[Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko

啟動測試程式

改變數子大小為6，量子集大小為2：

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/[Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko scull_quantum=6 scull_qset=2

啟動測試程式

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_testwrite error! code=6write error! code=6write error! code=6write ok! code=2read error! code=6read error! code=6read error! code=6read ok! code=2[0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4[5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9[10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14[15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19

實驗不僅測試了模組的讀寫能力，還測試了量子讀寫是否有效。