Linux字符設備驅動程序解析

Linux下的設備驅動程序被組織為一組完成不同任務的函數的集合，通過這些函數使得linux的設備操作猶如文件一般。在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以象操作普通文件一樣對硬件設備進行操作，如open()、close()、read()、write() 等。

Linux主要將設備分為二類：字符設備和塊設備。字符設備是指設備發送和接收數據以字符的形式進行；而塊設備則以整個數據緩沖區的形式進行。字符設備的驅動相對比較簡單。

下面我們來假設一個非常簡單的虛擬字符設備：這個設備中只有一個4個字節的全局變量int global_var，而這個設備的名字叫做"globalvar"。對"globalvar"設備的讀寫等操作即是對其中全局變量global_var的操作。

驅動程序是內核的一部分，因此我們需要給其添加模塊初始化函數，該函數用來完成對所控設備的初始化工作，並調用register_chrdev() 函數注冊字符設備：

static int __init globalvar_init(void)
{
　if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " globalvar ", &gobalvar_fops))
　{
　　//…注冊失敗
　}
　else
　{
　　//…注冊成功
　}
}

其中，register_chrdev函數中的參數MAJOR_NUM為主設備號, "globalvar"為設備名，globalvar_fops為包含基本函數入口點的結構體，類型為file_operations。當globalvar模塊被加載時，globalvar_init被執行，它將調用內核函數register_chrdev，把驅動程序的基本入口點指針存放在內核的字符設備地址表中，在用戶進程對該設備執行系統調用時提供入口地址。

與模塊初始化函數對應的就是模塊卸載函數，需要調用register_chrdev()的"反函數"

unregister_chrdev()：
static void __exit globalvar_exit(void)
{
　if (unregister_chrdev(MAJOR_NUM, " globalvar "))
　{
　　//…卸載失敗
　}
　else
　{
　　//…卸載成功
　}
}

隨著內核不斷增加新的功能，file_operations結構體已逐漸變得越來越大，但是大多數的驅動程序只是利用了其中的一部分。對於字符設備來說，要提供的主要入口有：open()、release()、read()、write()、ioctl()、llseek()、poll()等。

open()函數　對設備特殊文件進行open()系統調用時，將調用驅動程序的open() 函數：

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

其中參數inode為設備特殊文件的inode (索引結點) 結構的指針，參數file是指向這一設備的文件結構的指針。open()的主要任務是確定硬件處在就緒狀態、驗證次設備號的合法性(次設備號可以用 MINOR(inode-> i - rdev) 取得)、控制使用設備的進程數、根據執行情況返回狀態碼(0表示成功，負數表示存在錯誤)等；

release()函數　當最後一個打開設備的用戶進程執行close ()系統調用時，內核將調用驅動程序的release() 函數：

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

release 函數的主要任務是清理未結束的輸入/輸出操作、釋放資源、用戶自定義排他標志的復位等。

read()函數　當對設備特殊文件進行read() 系統調用時，將調用驅動程序read()函數：

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

用來從設備中讀取數據。當該函數指針被賦為NULL 值時，將導致read 系統調用出錯並返回-EINVAL（"Invalid argument，非法參數"）。函數返回非負值表示成功讀取的字節數（返回值為"signed size"數據類型，通常就是目標平台上的固有整數類型）。

globalvar_read函數中內核空間與用戶空間的內存交互需要借助第2節所介紹的函數：

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( ) 函數　當設備特殊文件進行write () 系統調用時，將調用驅動程序的write () 函數：

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

向設備發送數據。如果沒有這個函數，write 系統調用會向調用程序返回一個-EINVAL。如果返回值非負，則表示成功寫入的字節數。

globalvar_write函數中內核空間與用戶空間的內存交互需要借助第2節所介紹的函數：

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() 函數　該函數是特殊的控制函數，可以通過它向設備傳遞控制信息或從設備取得狀態信息，函數原型為：

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

unsigned int參數為設備驅動程序要執行的命令的代碼，由用戶自定義，unsigned long參數為相應的命令提供參數，類型可以是整型、指針等。如果設備不提供ioctl 入口點，則對於任何內核未預先定義的請求，ioctl 系統調用將返回錯誤（-ENOTTY，"No such ioctl fordevice，該設備無此ioctl 命令"）。如果該設備方法返回一個非負值，那麼該值會被返回給調用程序以表示調用成功。

llseek()函數 該函數用來修改文件的當前讀寫位置，並將新位置作為（正的）返回值返回，原型為：

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

poll()函數 poll 方法是poll 和select 這兩個系統調用的後端實現，用來查詢設備是否可讀或可寫，或是否處於某種特殊狀態，原型為：

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

我們將在"設備的阻塞與非阻塞操作"一節對該函數進行更深入的介紹。

設備"gobalvar"的驅動程序的這些函數應分別命名為gobalvar_open、 gobalvar_ release、gobalvar_read、gobalvar_write、gobalvar_ioctl，因此設備"gobalvar"的基本入口點結構變量gobalvar_fops 賦值如下：

struct file_operations gobalvar_fops = {
　read: gobalvar_read,
　write: gobalvar_write,
};

上述代碼中對gobalvar_fops的初始化方法並不是標准C所支持的，屬於GNU擴展語法。

完整的globalvar.c文件源代碼如下：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/uaccess.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
#define MAJOR_NUM 254 //主設備號
static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*);
static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);
//初始化字符設備驅動的file_operations結構體
struct file_operations globalvar_fops =
{
　read: globalvar_read, write: globalvar_write,
};
static int global_var = 0; //"globalvar"設備的全局變量
static int __init globalvar_init(void)
{
　int ret;
　//注冊設備驅動
　ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops);
　if (ret)
　{
　　printk("globalvar register failure");
　}
　else
　{
　　printk("globalvar register success");
　}
　return ret;
}
static void __exit globalvar_exit(void)
{
　int ret;
　//注銷設備驅動
　ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");
　if (ret)
　{
　　printk("globalvar unregister failure");
　}
　else
　{
　　printk("globalvar unregister success");
　}
}
static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
　//將global_var從內核空間復制到用戶空間
　if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
　{
　　return - EFAULT;
　}
　return sizeof(int);
}
static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t　*off)
{
　//將用戶空間的數據復制到內核空間的global_var
　if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))
　{
　　return - EFAULT;
　}
　return sizeof(int);
}
module_init(globalvar_init);
module_exit(globalvar_exit);
　　運行：
gcc -D__KERNEL__ -DMODULE -DLINUX -I /usr/local/src/linux2.4/include -c -o globalvar.o globalvar.c
　　編譯代碼，運行：
inmod globalvar.o
　　加載globalvar模塊，再運行：
cat /proc/devices
　　發現其中多出了"254 globalvar"一行，如下圖：
　　接著我們可以運行：
mknod /dev/globalvar c 254 0
　　創建設備節點，用戶進程通過/dev/globalvar這個路徑就可以訪問到這個全局變量虛擬設備了。
我們寫一個用戶態的程序globalvartest.c來驗證上述設備：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
main()
{
　int fd, num;
　//打開"/dev/globalvar"
　fd = open("/dev/globalvar", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
　if (fd != -1 )
　{
　　//初次讀globalvar
　　read(fd, &num, sizeof(int));
　　printf("The globalvar is %d\n", num);
　　//寫globalvar
　　printf("Please input the num written to globalvar\n");
　　scanf("%d", &num);
　　write(fd, &num, sizeof(int));
　　//再次讀globalvar
　　read(fd, &num, sizeof(int));
　　printf("The globalvar is %d\n", num);
　　//關閉"/dev/globalvar"
　　close(fd);
　}
　else
　{
　　printf("Device open failure\n");
　}
}
　　編譯上述文件：
gcc -o globalvartest.o globalvartest.c
　　運行
./globalvartest.o
　　可以發現"globalvar"設備可以正確的讀寫。