linux驅動中的write函數

 Linux下我們在使用裝置的時候，都會用到write這個函數，通過這個函數我們可以象使

      用檔案那樣向裝置傳送資料。可是為什麼使用者使用write函數就可以把資料寫到裝置裡面

      去，這個過程到底是怎麼實現的呢？

     

      這個奧秘就在於裝置驅動程式的write實現中，這裡我結合一些原始碼來解釋如何使得一

      個簡簡單單的write函數能夠完成向裝置裡面寫資料的複雜過程。

      

      這裡的原始碼主要來自兩個地方。第一是oreilly出版的《Linux device driver》中的

      執行個體，第二是Linux Kernel 2.2.14核心原始碼。我只列出了其中相關部分的內容，如果

      讀者有興趣，也可以查閱其它原始碼。不過我不是在講解如何編寫裝置驅動程式，所以不

      會對每一個細節都進行說明，再說有些地方我覺得自己還沒有吃透。

      

      由於《Linux device driver》一書中的例子對於我們還是複雜了一些，我將其中的一個

      常式簡化了一下。這個驅動程式支援這樣一個裝置：核心空間中的一個長度為10的數組

      kbuf[10]。我們可以通過使用者程式open它，read它，write它，close它。這個裝置的名

      字我稱為short_t。

     

      現在言歸正傳。

      對於一個裝置，它可以在/dev下面存在一個對應的邏輯裝置節點，這個節點以檔案的形式

      存在，但它不是普通意義上的檔案，它是裝置檔案，更確切的說，它是裝置節點。這個節

      點是通過mknod命令建立的，其中指定了主裝置號和次裝置號。主裝置號表明了某一類設

      備，一般對應著確定的驅動程式；次裝置號一般是區分是標明不同屬性，例如不同的使用

      方法，不同的位置，不同的操作。這個裝置號是從/proc/devices檔案中獲得的，所以一

      般是先有驅動程式在核心中，才有裝置節點在目錄中。這個裝置號（特指主裝置號）的主

      要作用，就是聲明裝置所使用的驅動程式。驅動程式和裝置號是一一對應的，當你開啟一

      個裝置檔案時，作業系統就已經知道這個裝置所對應的驅動程式是哪一個了。這個"知道"

      的過程後面就講。

     

      我們再說說驅動程式的基本結構吧。這裡我只介紹動態模組型驅動程式（就是我們使用

      insmod載入到核心中並使用rmmod卸載的那種），因為我只熟悉這種結構。

      模組化的驅動程式由兩個函數是固定的：int init_module(void) ；void

      cleanup_module(void)。前者在insmod的時候執行，後者在rmmod的時候執行。

      init_nodule在執行的時候，進行一些驅動程式初始化的工作，其中最主要的工作有三

      件：註冊裝置；申請I/O連接埠位址範圍；申請中斷IRQ。這裡和我們想知道的事情相關的只

      有註冊裝置。

     

      下面是一個典型的init_module函數：

     

      int init_module(void){

int result = check_region(short_base,1)；/* 察看連接埠地址*/
      ……

      request_region(short_base,1,"short"); /* 申請連接埠地址*/

      ……

      result = register_chrdev(short_major, "short", &short_fops); /* 註冊裝置

      */

      ……

      result = request_irq(short_irq, short_interrupt, SA_INTERRUPT, "short",

      NULL); /* 申請IRQ */

      ……

      return 0;

      }/* init_module*/

     

      上面這個函數我只保留了最重要的部分，其中最重要的函數是

      result = register_chrdev(short_major, "short", &short_fops);

      這是一個驅動程式的精髓所在！！當你執行indmod命令時，這個函數可以完成三件大事：

      第一，申請主裝置號(short_major)，或者指定，或者動態分配；第二，在核心中註冊設

    
備的名字("short")；第三，指定fops方法(&short_fops)。其中所指定的fops方法就是

      我們對裝置進行操作的方法（例如read,write,seek,dir,open,release等），如何?

      這些方法，是編寫裝置驅動程式大部分工作量所在。

     

      現在我們就要接觸關鍵區段了--如何?fops方法。

      我們都知道，每一個檔案都有一個file的結構，在這個結構中有一個file_operations的

      結構體，這個結構體指明了能夠對該檔案進行的操作。

     

      下面是一個典型的file_operations結構：

      struct file_operations {

      loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

      ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);

      ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);

      int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);

      unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

      int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned

      long);

      int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

      int (*open) (struct inode *, struct file *);

      int (*flush) (struct file *);

      int (*release) (struct inode *, struct file *);

      int (*fsync) (struct file *, struct dentry *);

      int (*fasync) (int, struct file *, int);

      int (*check_media_change) (kdev_t dev);

      int (*revalidate) (kdev_t dev);

      int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);

      };

     

      我們可以看到它實際上就是許多檔案操作的函數指標，其中就有write，其它的我們就不

      去管它了。這個write指標在實際的驅動程式中會以程式員所實現的函數名字出現，它指

      向程式員實現的裝置write操作函數。下面就是一個實際的例子，這個write函數可以向核

      心記憶體的一個數組裡輸入一個字串。

     

      int short_write (struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf,

      int count){

      int retval = count;

      extern unsigned char kbuf[10];

 

      if(count>10)

      count=10;

      copy_from_user(kbuf, buf, count);

      return retval;

      }/* short_write */

      裝置short_t對應的fops方法是這樣聲明的：

      struct file_operations short_fops = {

      NULL, /* short_lseek */

      short_read,

      short_write,

      NULL, /* short_readdir */

      NULL, /* short_poll */

      NULL, /* short_ioctl */

      NULL, /* short_mmap */

      short_open,

      short_release,

      NULL, /* short_fsync */

      NULL, /* short_fasync */

      /* nothing more, fill with NULLs */

      };

     

      其中NULL的項目就是不提供這個功能。所以我們可以看出short_t裝置只提供了

      read,write,open,release功能。其中write功能我們在上面已經實現了，具體的實現函

      數起名為short_write。這些函數就是真正對裝置進行操作的函數，這就是驅動程式的一

    
大好處：不管你實現的時候是多麼的複雜，但對使用者來看，就是那些常用的檔案操作函數。

      

      但是我們可以看到，驅動程式裡的write函數有四個參數，函數格式如下：

      short_write (struct inode *inode, struct file *filp, const char *buf, int count)

      而使用者程式中的write函數只有三個參數，函數格式如下：

      write(inf fd, char *buf, int count)

      那他們兩個是怎麼聯絡在一起的呢？這就要靠作業系統核心中的函數sys_write了，下面

      是Linux Kernel 2.2.14中sys_write中的原始碼：

      asmlinkage ssize_t sys_write(unsigned int fd, const char * buf, size_t count)

      {

      ssize_t ret;

      struct file * file;

      struct inode * inode;

      ssize_t (*write)(struct file *, const char *, size_t, loff_t *); /* 指向

      驅動程式中的wirte函數的指標*/

 

      lock_kernel();

      ret = -EBADF;

      file = fget(fd); /* 通過檔案描述符得到檔案指標 */

      if (!file)

      goto bad_file;

      if (!(file->f_mode & FMODE_WRITE))

      goto out;

      inode = file->f_dentry->d_inode; /* 得到inode資訊 */

      ret = locks_verify_area(FLOCK_VERIFY_WRITE, inode, file, file->f_pos,

      count);

      if (ret)

      goto out;

      ret = -EINVAL;

      if (!file->f_op || !(write = file->f_op->write)) /* 將函數開始時聲明的

      write函數指標指向fops方法中對應的write函數 */

      goto out;

      down(&inode->i_sem);

      ret = write(file, buf, count, &file->f_pos); /*
使用驅動程式中的write函數

      將資料輸入裝置，注意看，這裡就是四個參數了 */

      up(&inode->i_sem);

      out:

      fput(file);

      bad_file:

      unlock_kernel();

      return ret;

      }

 

      我寫了一個簡單的程式來測試這個驅動程式，該程式原始碼節選如下（該省的我都省了）：

     

      main(){

      int fd,count=0;

      unsigned char buf[10];

      fd=open("/dev/short_t",O_RDWR);

      printf("input string:");

      scanf("%s",buf);

      count=strlen(buf);

      if(count>10)

      count=10;

      count=write(fd,buf,count);

      close(fd);

      return 1;

      }

 

      現在我們就示範一下使用者使用write函數將資料寫到裝置裡面這個過程到底是怎麼實現的：

    
1，insmod驅動程式。驅動程式申請裝置名稱和主裝置號，這些可以在/proc/devieces中獲得。

      2，從/proc/devices中獲得主裝置號，並使用mknod命令建立裝置節點檔案。這是通過主

      裝置號將裝置節點檔案和裝置驅動程式聯絡在一起。裝置節點檔案中的file屬性中指明了

      驅動程式中fops方法實現的函數指標。

      3，使用者程式使用open開啟裝置節點檔案，這時作業系統核心知道該驅動程式工作了，就

      調用fops方法中的open函數進行相應的工作。open方法一般返回的是檔案標示符，實際

      上並不是直接對它進行操作的，而是有作業系統的系統調用在背後工作。

      4，當使用者使用write函數操作裝置檔案時，作業系統調用sys_write函數，該函數首先通

      過檔案標示符得到裝置節點檔案對應的inode指標和flip指標。inode指標中有裝置號信

      息，能夠告訴作業系統應該使用哪一個裝置驅動程式，flip指標中有fops資訊，可以告訴

      作業系統相應的fops方法函數在那裡可以找到。

      5，然後這時sys_write才會調用驅動程式中的write方法來對裝置進行寫的操作。

      其中1-3都是在使用者空間進行的，4-5是在核心空間進行的。使用者的write函數和作業系統

      的write函數通過系統調用sys_write聯絡在了一起。

      注意：

      對於塊裝置來說，還存在寫的模式的問題，這應該是由GNU C庫來解決的，這裡不予討

      論，因為我沒有看過GNU C庫的原始碼。

      另外，這是一個測試版的文章，請各位朋友們多提意見和建議，非常感謝