Linux內(nèi)核開發(fā)之簡單字符設(shè)備驅(qū)動(上)

看風(fēng)景D人 2014-07-19

展開全文

廢話少說，先來介紹幾個必須要知道的和字符設(shè)備有關(guān)的結(jié)構(gòu)體,然后結(jié)合代碼詳細講解。

第一部分    必要的設(shè)備結(jié)構(gòu)體

1)linux 2.6內(nèi)核中使用cdev結(jié)構(gòu)體表示字符設(shè)備：
struct cdev
{
  struct kobject kobj;//內(nèi)嵌的kobject對象
  struct module *owner;//所屬模塊
  struct file_operations *ops;//文件操作結(jié)構(gòu)體
  struct list_head list;
  dev_t dev;//設(shè)備號,長度為32位，其中高12為主設(shè)備號，低20位為此設(shè)備號
  unsigned int count;
};

可以使用下列宏從dev_t中獲得主次設(shè)備號：也可以使用下列宏通過主次設(shè)備號生成dev_t:

MAJOR(dev_t dev); MKDEV(int major,int minor);

MINOR(dev_t dev);

說明：在2.6內(nèi)核中可以容納大量的設(shè)備，而先前的內(nèi)核版本卻限于255個主設(shè)備號和255個此設(shè)備號。

2）file_operations結(jié)構(gòu)體中的成員函數(shù)是字符設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計中的主體內(nèi)容，這些函數(shù)實際會在應(yīng)用程序進行l(wèi)inux的open(),write(),read(),close()等系統(tǒng)調(diào)用時被最終調(diào)用。目前的file_operations結(jié)構(gòu)已經(jīng)變得非常大，在這里我們就關(guān)心和我這個設(shè)備程序有關(guān)的幾個函數(shù)，以后用到了，咱們再提也不遲：

static const struct file_operations globalmem_fops =
{	
   .owner= THIS_MODULE,
   .llseek = globalmem_llseek,//修改一個文件的當前讀寫位置并將新位置返回，出錯時，返回一個負值
   .read = globalmem_read,
   .write = globalmem_write,
   .ioctl = globalmem_ioctl,//設(shè)備相關(guān)控制命令的實現(xiàn)，內(nèi)核可以識別一部分控制命令(這時就不用調(diào)用ioctl
                             ()),如果設(shè)備不提供這個函數(shù)，而內(nèi)核又不識別該命令，則返回-EINVAL.
   .open = globalmem_open,
   .release = globalmem_release,
};

3)file結(jié)構(gòu)與用戶空間的File沒有任何關(guān)聯(lián)，strcut file是一個內(nèi)核結(jié)構(gòu)，它不會出現(xiàn)在用戶程序中。它代表一個打開的文件(不局限于設(shè)備驅(qū)動程序，系統(tǒng)中每個打開的文件在內(nèi)核空間中都有一個對應(yīng)的file結(jié)構(gòu))。它由內(nèi)核在open時創(chuàng)建，并傳遞給在該文件進行操作的所有函數(shù)，直到最后的close函數(shù)。在文件的所有實例都被關(guān)閉之后，內(nèi)核會釋放掉這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

4)內(nèi)核用它node結(jié)構(gòu)在內(nèi)部表示文件，其和file結(jié)構(gòu)不同。后者表示打開的文件描述符。對于單個文件，可能會有很多表示打開的文件描述符的file結(jié)構(gòu)，但它們都指向單個inode結(jié)構(gòu)。在它里邊和我們驅(qū)動程序有用的字段只有兩個：

dev_t i_rdev; //對表示設(shè)備文件的inode結(jié)構(gòu)，該字段包含了真正的設(shè)備編號

struct cdev *i_cdev; //是表示字符設(shè)備的內(nèi)核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當inode指向一個字符設(shè)備文件時，該字段包含了指向struct cdev結(jié)構(gòu)的指針。

我么可以使用下邊兩個宏從inode中獲得主設(shè)備號和此設(shè)備號：

unsigned int iminor(struct inode *inode);
unsigned int imajor(struct inode *inode);

為了程序的可移植性，我們應(yīng)該使用上述宏，而不是直接操作i_rdev。

第二部分源代碼詳解

必要的頭文件

#define GLOBALMEM_SIZE 0X1000 /*全局內(nèi)存大小4kb*/

#define MEM_CLEAR 0x1 //清零全局內(nèi)存

static globalmem_major = GLOBALMEM_MAJOR;

//globalmem設(shè)備結(jié)構(gòu)體
struct globalmem_dev
{
    struct cdev cdev;
    unsigned char mem[GLOBALMEM_SIZE];//全局內(nèi)存
};

struct globalmem_dev *globalmem_devp;//設(shè)備結(jié)構(gòu)指針
//文件打開函數(shù)
int globalmem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	filp->private_data= globalmem_devp;
	return 0;
}

//文件釋放函數(shù)
int globalmem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

//globalmem_ioctl函數(shù)
static int globalmem_ioctl(struct inode *inodep, struct file *filp,unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	struct globalmem_dev *dev = filp->private_data;
	switch (cmd)
	{
		case MEM_CLEAR://清除全局內(nèi)存
			memset(dev->mem, 0,GLOBALMEM_SIZE);
			printk(KERN_INFO "globalmem is set to zero\n");
			break;
		default:
			return - EINVAL;//其他不支持的命令
	}
	return 0;
}

//globalmem_read函數(shù)
static ssize_t globalmem_read(struct file *filp,char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
	unsigned long p = *ppos;
	unsigned int count = size;
	int ret = 0;
	struct globalmem_dev *dev=filp->private_data;//獲得設(shè)備結(jié)構(gòu)指針
	
	//分析和獲取有效的寫長度
	if (p >= GLOBALMEM_SIZE)
		return count ? -ENXIO: 0;
	if (count > GLOBALMEM_SIZE-p)//如果要求讀取的比實際可用的少
		count = GLOBALMEM_SIZE-p;
	if (copy_to_user(buf,(void *)(dev->mem + p),count))
	{
		ret = -EFAULT;
	}
	else
	{
		*ppos += count;
		ret = count;
		printk(KERN_INFO "read %d byte(s) from %d",count,p);
	}
	return ret;
}

//globalmem_write
static ssize_t globalmem_write(struct file *filp, const char __user *buf,size_t size, loff_t *ppos)
{
	unsigned long p = *ppos;
	unsigned int count = size; 
	int ret = 0;
	struct globalmem_dev *dev = filp->private_data;//獲得設(shè)備結(jié)構(gòu)指針
	
	//分析和獲取有效的寫長度
	if( p >= GLOBALMEM_SIZE)
		return count ? -ENXIO: 0;
	if (count > GLOBALMEM_SIZE-p)//如果要求讀取的比實際可用的少
		count = GLOBALMEM_SIZE-p;
		
	if (copy_from_user(dev->mem + p,buf, count))
		ret = -EFAULT;
	else
	{
		*ppos+= count;
		ret = count;
		printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);
	}
	return ret;
}

//globalmem_seek函數(shù)
static loff_t globalmem_llseek(struct file *filp,loff_t offset,int orig)
{
	loff_t ret=0;
	switch(orig)
	{
		case 0://從文件開頭開始偏移
			if(offset < 0)
			{
				ret = - EINVAL;
				break;
			}
			if((unsigned int)offset > GLOBALMEM_SIZE)//偏移越界
			{
				ret = - EINVAL;
				break;
			}
			filp->f_pos= (unsigned int)offset;
			ret = filp->f_pos;
			break;
		case 1://從當前位置偏移
			if((filp->f_pos+offset) > GLOBALMEM_SIZE) //偏移越界
			{
				ret = - EINVAL;
				break;
			}
			if((filp->f_pos+offset)<0)
			{
				ret = - EINVAL;
				break;
			}
			filp->f_pos += offset;
			ret = filp->f_pos;
			break;
		default:
			ret = - EINVAL;
			break;
	}
	return ret;
}