Linux内核设备驱动学习笔记整理(十)----字符设备

时间:2022-07-19 17:55:25
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 * 字符设备驱动
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(1)字符设备驱动介绍
字符设备是指那些按字节流访问的设备,针对字符设备的驱动称为字符设备驱动。
此类驱动适合于大多数简单的硬件设备。比如并口打印机,我们通过在/dev下建立一个设备文件(如/dev/printer)来访问它。
用户应用程序用标准的open函数打开dev/printer,然后用write向文件中写入数据,用read从里面读数据。

调用流程:
write(): 用户空间 -->
sys_write(): VFS -->
f_op->write: 特定设备的写方法

所谓驱动,就是提供最后的write函数,通过访问打印机硬件的寄存器直接和打印机对话

(2)主设备号和次设备号

a.设备编号介绍
对字符设备的访问是通过文件系统内的设备文件进行的。这些文件位于/dev。用"ls -l"查看。

设备通过设备号来标识。设备号分两部分,主设备号和次设备号。
通常,主设备号标示设备对应的驱动程序,linux允许多个驱动共用一个主设备号;
而次设备号用于确定设备文件所指的设备。

在内核中,用dev_t类型<linux/types.h>保存设备编号。
2.4内核中采用16位设备号(8位主,8位从),而2.6采用32位,12位主,20位从。
在驱动中访问设备号应该用<linux/kdev_t.h>中定义的宏。
获取设备号:
MAJOR(dev_t dev)
MINOR(dev_t dev)
MKDEV(int major, int minor)

b.分配和释放设备编号
在建立一个字符设备前,驱动需要先获得设备编号。
分配:
#include <linux/fs.h>
int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);
first:要分配的设备编号范围的起始值(次设备号常设为0)
count: 所请求的连续编号范围
name: 和编号关联的设备名称(见/proc/devices)

也可以要求内核动态分配:
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);
firstminor: 通常为0
*dev: 存放内核返回的设备号

释放:
void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);
在模块的清除函数中调用

在Documentation/devices.txt中可以找到内核已经分配的设备号。

c.建立设备文件
当设备驱动模块向系统申请了主设备号和次设备号,并且已经通过insmod加载到内核中后,我们就可以通过在/dev下创建设备文件来访问这个设备了。

字符设备的创建:
$>mknod /dev/mychar c major minor

我们在驱动中常常采用动态分配主次设备号的方法,这样不会和系统中已有的设备号冲突。
动态分配时,/dev下的设备文件也需要通过分析/proc/devices动态建立。
见char_load和char_unload脚本。

(3)字符设备的基本数据结构
和字符设备驱动关系最紧密的3个基本的数据结构是:
file, file_oepeations和inode

a.file_operations数据结构
结构中包含了若干函数指针。这些函数就是实际和硬件打交道的函数。
用户空间调用的open,write等函数最终会调用这里面的指针所指向的函数。每个打开的文件和一组函数关联。
见<linux/fs.h>和驱动书的p54

2.6内核结构的初始化:
struct file_operations my_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = my_llseek,
.read = my_read,
.write = my_write,
.ioctl = my_ioctl,
.open = my_open,
.release = my_release,
}

2.4内核结构的初始化:
struct file_operations my_fops = {
owner: THIS_MODULE,
llseek: my_llseek,
...
}

b.file结构<linux/fs.h>
file是一个内核结构体,实际上和用户open文件后返回的文件描述符fd对应。
file结构代表一个打开的文件,系统中每个打开的文件在内核空间都有一个对应的file结构。
它由内核在open时创建,并传递给在该文件上进行操作的所有函数,直到最后的close函数,在文件的所有实例都被关闭后,内核会释放这个结构。

用户空间进程fork一个新进程后,新老进程会共享打开的文件描述符fd,这个操作不会在内核空间创建新的file结构,只会增加已创建file结构的计数。

见<linux/fs.h>
mode_t f_mode;
通过FMODE_READ和FMODE_WRITE标示文件是否可读或可写。

loff_t f_pos;
当前的读写位置,loff_t为64位

unsigned int f_flags;
文件标志,如O_RDONLY, O_NONBLOCK, O_SYNC。标志都定义在<linux/fcntl.h>

struct file_operations *f_op;
与文件相关的操作。内核在执行open时对这个指针赋值。可以在驱动的open方法中根据次设备号赋予不同的f_op

void *private;
通常将表示硬件设备的结构体赋给private.

struct dentry *f_dentry;
文件对应的目录项(dentry)结构。可通过filp->f_dentry->d_inode访问索引节点。

file中其他的内容和驱动关系不大。

c.inode结构
内核用inode结构表示一个实际的文件,可以是一个普通的文件,也可以是一个设备文件。
每个文件只有一个inode结构,而和文件描述符对应的file结构可以有多个(多次进行open调用)。这些file都指向同一个inode。

inode定义在<linux/fs.h>
dev_t i_rdev;
对于表示设备文件的inode结构,i_rdev里包含了真正的设备编号

struct cdev *i_cdev
cdev是表示字符设备的内核的内部结构。当inode表示一个字符设备时,i_cdev指向内核中的struct cdev.

其他结构和设备驱动关系不大。

用如下宏从inode获取设备号:
unsigned int iminor(struct inode *inode)
unsigned int imajor(struct inode *inode)

(4)字符设备的注册
内核内部使用struct cdev结构来表示一个字符设备。
我们的驱动要把自己的cdev注册到内核中去。见 <linux/cdev.h>


a.通常在设备的结构中加入cdev
struct scull_dev{
...
struct cdev cdev; /* 字符设备结构 */
}


b.初始化
void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops)


c.设定cdev中的内容
dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
dev->cdev.ops = &scull_fops;

d.向内核添加设定好的cdev
int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count);
num: 设备对应的第一个编号
count: 和设备关联的设备编号的数量,常取1
一旦cdev_add返回,内核就认为设备可以使用了,所以要在调用之前完成设备的硬件初始化。

(5)老式的注册函数
2.4中的老式注册函数仍然在驱动函数中大量存在,但新的代码不应该使用这些代码。
注册:
int register_chrdev(unsigned int major,
    const char *name,
    struct file_operations *fops);
为给定的主设备号注册0~255作为次设备号,并为每个设备建立一个对应的默认cdev结构

注销:
int unregister_chrdev(unsigned int major,
    const char *name);

(6)open和release
a.open
在驱动的open方法中完成设备的初始化工作,open完成后,硬件就可以使用,用户程序可以通过write等访问设备,open的工作有:
*检查设备的特定错误
*如果设备首次打开,则对其进行初始化(有可能多次调用open)
*如有必要,更新f_op指针
*分配并填写置于filp->private_data中的数据

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

在open中通过inode获得dev指针,并将其赋给file->private_data
struct scull_dev *dev;
dev = contain_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev);
filp->private_data = dev;
(如果dev是静态分配的,则在open或write等方法中可以直接访问dev,但如果dev是在module_init时动态分配的,则只能通过上面的方法获得其指针)

b.release
并不是每个close调用都会引起对release方法的调用,只有当file的计数器归零时,才会调用release,从而释放dev结构)

(7)read和write
read和write的工作是从用户空间拷贝数据到内核,或是将内核数据拷贝到用户空间。
其原型为:
ssize_t read(struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);
ssize_t write(struct file *filp, const char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);
buff: 用户空间的缓冲区指针
offp: 用户在文件中进行存取操作的位置
在read和write中,拷贝完数据后,应该更新offp,并将实际完成的拷贝字节数返回。

(8)和用户空间交换数据
read和write中的__user *buff 是用户空间的指针,内核不能直接引用其中的内容(也就是不能直接对buff进行取值操作),需要通过内核提供的函数进行数据拷贝。
其原因是:
a.在不同架构下,在内核模式中运行时,用户空间的指针可能是无效的。
b.用户空间的内存是分页的,系统调用执行时,buff指向的内存可能根本不在RAM中(被交换到磁盘中了)
c.这可能是个无效或者恶意指针(比如指向内核空间)

内核和用户空间交换数据的函数见<asm/uaccess.h>

如:
1. unsigned long copy_to_user(
      void __user *to, 
      const void *from, 
      unsigned long count);
向用户空间拷贝数据
      
2. unsigned long copy_from_user(
      void *to, 
      const void __user *from, 
      unsigned long count);
从用户空间获得数据

3. int put_user(datum, ptr)
向用户空间拷贝数据。字节数由sizeof(*ptr)决定
返回值为0成功,为负错误。

4. int get_user(local, ptr);
从用户空间获得数据。字节数由sizeof(*ptr)决定
返回值和local都是从用户空间获得的数据

任何访问用户空间的函数都必须是可睡眠的,这些函数需要可重入。

copy_to_user等函数如果返回值不等于0,则read或write应向用户空间返回-EFAULT

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主设备号用来表示设备驱动, 次设备号表示使用该驱动的设备
在内核dev_t 表示设备号, 设备号由主设备号和次设备号组成
#include <linux/kdev_t.h>
#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS)) //根据设备号获取主设备号
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))  //获取次设备号
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))          //根据指定的主设备和次设备号生成设备号
#include <linux/fs.h>  
//静态:申请指定的设备号, from指设备号, count指使用该驱动有多少个设备(次设备号), 设备名 
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
name的长度不能超过64字节

//动态申请设备号, 由内核分配没有使用的主设备号, 分配好的设备存在dev, baseminor指次设备号从多少开始, count指设备数, name设备名 
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,
const char *name)

//释放设备号, from指设备号, count指设备数
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

//cat /proc/devices 可查看设备使用情况
在内核源码的documentations/devices.txt可查看设备号的静态分配情况

///内核里使用struct cdev来描述一个字符设备驱动 
#include <linux/cdev.h>
struct cdev {
struct kobject kobj;       //内核用于管理字符设备驱动 
struct module *owner;      //通常设为THIS_MODULE, 用于防止驱动在使用中时卸载驱动模块
const struct file_operations *ops;  //怎样操作(vfs)
struct list_head list;     //因多个设备可以使用同一个驱动, 用链表来记录
dev_t dev;                 //设备号
unsigned int count;        //设备数
};

////////字符设备驱动//////////
1. 申请设备号
2. 定义一个cdev的设备驱动对象
struct cdev mycdev;
   定义一个file_operations的文件操作对象
struct file_operations fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.read = 读函数
....
};

3. 把fops对象与mycdev关联起来
cdev_init(&mycdev, &fops); //mycdev.ops = &fops;
mycdev.owner = THIS_MODULE;

4. 把设备驱动加入内核里, 并指定该驱动对应的设备号
cdev_add(&mycdev, 设备号, 次设备号的个数);

5. 卸载模块时, 要把设备驱动从内核里移除, 并把设备号反注册
cdev_del(&mycdev);

///////////创建设备文件
mknod /dev/设备文件名  c 主设备号 次设备号

////////inode节点对象描述一个文件/设备文件, 包括权限,设备号等信息
struct inode {
...
dev_t  i_rdev;     //设备文件对应的设备号
struct cdev *i_cdev; //指向对应的设备驱动对象的地址
...
};

////file对象描述文件描述符, 在文件打开时创建, 关闭时销毁
struct file {
...
const struct file_operations *f_op; //对应的文件操作对象的地址
unsigned int f_flags; //文件打开的标志
fmode_t f_mode;  //权限
loff_t f_pos;   //文件描述符的偏移
struct fown_struct f_owner; //属于哪个进程
unsigned int f_uid, f_gid; 
void *private_data; //给驱动程序员使用
...
};
通file里的成员f_path.dentry->d_inode->i_rdev可以获取到设备文件的设备号

///错误码在<asm/errno.h> ////

/////////struct file_operations ////
     inode表示应用程序打开的文件的节点对象,  file表示打开文件获取到的文件描述符
     成功返回0, 失败返回错误码
int (*open) (struct inode *, struct file *);
     
     buf指向用户进程里的缓冲区, len表示buf的大小(由用户调用read时传进来的)
     off表示fl文件描述符的操作偏移, 返回值为实际给用户的数据字节数.
ssize_t (*read) (struct file *fl, char __user *buf, size_t len, loff_t *off);

     用户进程把数据给驱动
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);

////////////////
to指用户进程的缓冲区, from指驱动里装数据的缓冲区, n多少字节, 返回值是0
extern inline long copy_to_user(void __user *to, const void *from, long n)
to指驱动的...   from用户...    n多少字节, ....

static inline unsigned long __must_check copy_to_user(void __user *to, const
void *from, unsigned long n)
{
if (access_ok(VERIFY_WRITE, to, n))
n = __copy_to_user(to, from, n);
return n; //返回值为剩下多少字节没拷贝
}
///////

extern inline long copy_from_user(void *to, const void __user *from, long n)

如果与用户进程交互的数据是1,2,4,8字节的话, 可用
  put_user(x,p) //x为值, p为地址

如果从用户进程获取1,2,4字节的话, 可用
  get_user(x,p) 

///////////

///动态申请内存, 并清零. size为申请多大(不要超过128K),
//flags为标志(常为GFP_KERNEL). 成功返回地址, 失败返回NULL
// GFP_ATOMIC, 使用系统的内存紧急池

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);//申请后要内存要清零
void *kzalloc(size_t size, gfp_t flags); //申请出来的内存已清零
void kfree(const void *objp); //回收kmalloc/kzalloc的内存

void *vmalloc(unsigned long size); //申请大内存空间
void vfree(const void *addr); //回收vmalloc的内存

// kmalloc申请出来的内存是物理地址连续的, vmalloc不一定是连续的

///// container_of(ptr, type, member) type包括member成员的结构体,
//ptr是type类型 结构体的member成员的地址.
//此宏根据结构体成员的地址获取结构体变量的首地址

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

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((size_t) &((TYPE *)0)->MEMBER)

 15 typedef struct led_dev_t {
 16         dev_t mydevid;
 17         unsigned int *rLEDCON;
 18         unsigned int *rLEDDAT;
 19         struct cdev mycdev;
 20 }LED_DEV;

 LED_DEV myled;

 ind->i_cdev是指向myled.mycdev成员的地址
 结构体变量myled首地址可由container_of(ind->i_cdev, LED_DEV, mycdev)获取;

/////// 自动创建设备文件 ////
#include <linux/device.h>
1.  struct class *cl; 
    cl = class_create(owner, name) ; //owner指属于哪个模块, name类名
//创建出来后可以查看  /sys/class/类名
    void class_destroy(struct class *cls); //用于销毁创建出来的类

2. 创建设备文件
struct device *device_create(struct class *cls, struct device *parent,
   dev_t devt, void *drvdata,
   const char *fmt, ...)
   __attribute__((format(printf, 5, 6)));

 device_create(所属的类, NULL, 设备号, NULL, "mydev%d", 88); //在/dev/目录下产生名字为mydev88的设备文件
 void device_destroy(struct class *cls, dev_t devt); //用于销毁创建出来的设备文件

////////
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
   const struct file_operations *fops) ; //注册设备号并创建驱动对象

void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name); //反注册设备号并删除驱动对象

static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
 const struct file_operations *fops)
{
return __register_chrdev(major, 0, 256, name, fops);
}
int __register_chrdev(unsigned int major, unsigned int baseminor,
     unsigned int count, const char *name,
     const struct file_operations *fops)
{
struct char_device_struct *cd;
struct cdev *cdev;
int err = -ENOMEM;


cd = __register_chrdev_region(major, baseminor, count, name);
if (IS_ERR(cd))
return PTR_ERR(cd);

cdev = cdev_alloc();
if (!cdev)
goto out2;


cdev->owner = fops->owner;
cdev->ops = fops;
kobject_set_name(&cdev->kobj, "%s", name);

err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, baseminor), count);
if (err)
goto out;

cd->cdev = cdev;

return major ? 0 : cd->major;
out:
kobject_put(&cdev->kobj);
out2:
kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, baseminor, count));
return err;
}