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深入浅出Linux设备驱动之字符设备驱动程序

来源:编辑:发布于:2011-01-06人围观

  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"gobalvar"。对"gobalvar"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 gobalvar_init(void)
{
 if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " gobalvar ", &gobalvar_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,"gobalvar"为设备名,gobalvar_fops为包含基本函数入口点的结构体,类型为file_operations。当gobalvar模块被加载时,gobalvar_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 gobalvar_exit(void)
{
 if (unregister_chrdev(MAJOR_NUM, " gobalvar "))
 {
  //…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)。

  globalvar_read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 globalvar_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。
globalvar_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 globalvar_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。

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