linux字符设备驱动实例（宋宝华）2.6内核编译通过

[i=s] 本帖最后由 linux08071151 于 2012-8-9 13:51 编辑 [/i]

Linux下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合，通过这些函数使得 Windows的设备操作犹如文件一般。在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作，如 open ()、close ()、read ()、write () 等。 Linux主要将设备分为二类：字符设备和块设备。字符设备是指设备发送和接收数据以字符的形式进行；而块设备则以整个数据缓冲区的形式进行。字符设备的驱动相对比较简单。
下面我们来假设一个非常简单的虚拟字符设备：这个设备中只有一个 4个字节的全局变量 int global_var，而这个设备的名字叫做“ chardev”。对“chardev”设备的读写等操作即是对其中全局变量 global_var的操作。
驱动程序是内核的一部分，因此我们需要给其添加模块初始化函数，该函数用来完成对所控设备的初始化工作，并调用 register_chrdev() 函数注册字符设备：
static int __init chardev_init(void)

{

if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " chardev ", &chardev_fops))

{

//…注册失败

}

else

{

//…注册成功

}

}

其中，register_chrdev函数中的参数 MAJOR_NUM为主设备号,“chardev”为设备名， chardev_fops为包含基本函数入口点的结构体，类型为 file_operations。当 chardev模块被加载时，chardev_init被执行，它将调用内核函数 register_chrdev，把驱动程序的基本入口点指针存放在内核的字符设备地址表中，在用户进程对该设备执行系统调用时提供入口地址。与模块初始化函数对应的就是模块卸载函数，需要调用 register_chrdev()的“反函数” unregister_chrdev()：
static void __exit chardev_exit(void)


{

if (unregister_chrdev(MAJOR_NUM, " chardev "))
{
//…卸载失败
}


else
{
//…卸载成功
}


}

随着内核不断增加新的功能， file_operations结构体已逐渐变得越来越大，但是大多数的驱动程序只是利用了其中的一部分。对于字符设备来说，要提供的主要入口有：open ()、 release ()、read ()、write ()、ioctl ()、llseek()、poll()等。 open()函数对设备特殊文件进行 open()系统调用时，将调用驱动程序的 open () 函数： int (*open)(struct inode * ,struct file *);
其中参数 inode为设备特殊文件的 inode (索引结点) 结构的指针，参数 file是指向这一设备的文件结构的指针。open()的主要任务是确定硬件处在就绪状态、验证次设备号的合法性(次设备号可以用 MINOR(inode-> i - rdev) 取得)、控制使用设备的进程数、根据执行情况返回状态码(0表示成功，负数表示存在错误 ) 等；
release()函数当最后一个打开设备的用户进程执行 close ()系统调用时，内核将调用驱动程序的 release () 函数： void (*release) (struct inode * ,struct file *) ;
release函数的主要任务是清理未结束的输入 /输出操作、释放资源、用户自定义排他标志的复位等。
read()函数当对设备特殊文件进行 read() 系统调用时，将调用驱动程序 read() 函数： ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
用来从设备中读取数据。当该函数指针被赋为 NULL值时，将导致 read 系统调用出错并返回-EINVAL（“Invalid argument，非法参数”）。函数返回非负值表示成功读取的字节数（返回值为“signed size”数据类型，通常就是目标平台上的固有整数类型）。
chardev_read函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助的函数：
static ssize_t chardev_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{

…
copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int));
…


}
write( ) 函数当设备特殊文件进行 write () 系统调用时，将调用驱动程序的 write () 函数： ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
向设备发送数据。如果没有这个函数， write 系统调用会向调用程序返回一个 -EINVAL。如果返回值非负，则表示成功写入的字节数。 chardev_write函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第 2节所介绍的函数：
static ssize_t chardev_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off)
{

…

copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int));

…

}

ioctl() 函数该函数是特殊的控制函数，可以通过它向设备传递控制信息或从设备取得状态信息，函数原型为：
int (*ioctl) (struct inode * ,struct file * ,unsigned int ,unsigned long);
unsigned int参数为设备驱动程序要执行的命令的代码，由用户自定义，unsigned long参数为相应的命令提供参数，类型可以是整型、指针等。如果设备不提供 ioctl 入口点，则对于任何内核未预先定义的请求， ioctl系统调用将返回错误（ -ENOTTY，“No such ioctl fordevice，该设备无此 ioctl 命令”）。如果该设备方法返回一个非负值，那么该值会被返回给调用程序以表示调用成功。 llseek()函数该函数用来修改文件的当前读写位置，并将新位置作为（正的）返回值返
回，原型为： loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); poll()函数 poll 方法是 poll和 select 这两个系统调用的后端实现，用来查询设备是否可读或可写，或是否处于某种特殊状态，原型为： unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
我们将在“设备的阻塞与非阻塞操作”一节对该函数进行更深入的介绍。

设备“chardev”的驱动程序的这些函数应分别命名为 chardev_open、chardev_ release、
chardev_read、chardev_write、chardev_ioctl，因此设备“ chardev”的基本入口点结构变量
chardev_fops赋值如下：
struct file_operations chardev_fops = {

read:chardev_read,

write: chardev_write,

};

上述代码中对 chardev_fops的初始化方法并不是标准 C所支持的，属于 GNU扩展语
法。
//chardev.c
#include

#include

#include

#include

MODULE_LICENSE("GPL");

#define MAJOR_NUM 258 //主设备号

static ssize_t chardev_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*);

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

//初始化字符设备驱动的 file_operations结构体
struct file_operations chardev_fops =
{
read: chardev_read, write: chardev_write,
};
static int global_var = 0; //“chardev”设备的全局变量
static int __init chardev_init(void)
{
int ret;
//注册设备驱动
ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "chardev", &chardev_fops);
if (ret)
{
printk("chardev register failure");
}
else
{
printk("chardev register success");
}
return ret;
}
//
static void __exit chardev_exit(void)
{
//注销设备驱动
unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "chardev");
}

static ssize_t chardev_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
//将global_var从内核空间复制到用户空间
if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
{
return -EFAULT;
}
return sizeof(int);
}

static ssize_t chardev_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
//将用户空间的数据复制到内核空间的 global_var
if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))
{
return -EFAULT;
}
return sizeof(int);
}

module_init(chardev_init);
module_exit(chardev_exit);


//Makefile
obj-m := chardev.o

KDIR := /lib/modules/`uname -r`/build //编译所需要的内核环境路径
PWD := $(shell pwd)

default:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules //注意开头使用Tab键

clean:
rm -rf *.o .* .cmd *.ko *.mod.c .tmp_version //注意开头使用Tab键

提醒： chardev.c 和Makefile 文件要放在同一路径下

终端操作的主要步骤：
make
insmod
mknod /dev/chardev c 258 0

//用户文件chardev_test.c
#include
#include
#include
#include
main()
{
int fd, num;
//打开“/dev/chardev”
fd = open("/dev/chardev", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
if (fd != -1 )
{
//初次读 chardev
read(fd, &num, sizeof(int));
printf("The chardev is %d\n", num);
//写chardev
printf("Please input the num written to chardev\n");
scanf("%d", &num);
write(fd, &num, sizeof(int));
//再次读 chardev
read(fd, &num, sizeof(int));
printf("The chardev is %d\n", num);
//关闭“/dev/chardev”
//
close(fd);
}
else
{
printf("Device open failure\n");
}

gcc编译chardev_test.c
执行用户程序，结果如图所示：[attach]38761[/attach]