驅動之路-簡單字符設備驅動程序

一、重要知識點

1. 主次設備號

dev_t

dev_t是內核中用來表示設備編號的數據類型;

int MAJOR(dev_t dev)

int MINOR(dev_t dev)

這兩個宏抽取主次設備號。

dev-_t MKDEV(unsigned int major, unsignedint minor)

這個宏由主/次設備號構造一個dev_t結構。

2. 分配和釋放設備號

int register_chardev_region(dev_t first,unsigned int count, char *name)

靜態申請設備號。

Int alloc_chardev_region(dev_t *dev,unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name)

動態申請設備號，注意第一個參數是傳地址，而靜態則是傳值。

3. 幾種重要的數據結構

struct file

file結構代表一個打開的文件，它由內核在open時創建，并傳遞給該文件上進行操作的所有函數，直到最后的close函數。

file結構private_data是跨系統調用時保存狀態信息非常有用的資源。

file結構的f_ops 保存了文件的當前讀寫位置。

struct inode

內核用inode代表一個磁盤上的文件，它和file結構不同，后者表示打開的文件描述符。對于單個文件，可能會有許多個表示打開文件的文件描述符file結構，但他們都指單個inode結構。inode的dev_t i_rdev成員包含了真正的設備編號，struct cdev *i_cdev包含了指向struct cdev結構的指針。

struct file_operations

file_operations結構保存了字符設備驅動程序的方法。

4. 字符設備的注冊和注銷

struct cdev *cdev_alloc(void);

void cdev_init(struct cdev *dev, structfile_operations *fops);

int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num,unsigned int count);

void cdev_del(struct cdev *dev);

用來管理cdev結構的函數，內核中使用該結構表示字符設備。注意cdev_add函數的count參數為次設備的個數，要想擁有多個次設備，就必須將該參數設為次設備的個數。

5. 并發處理

信號量和自旋鎖的區別，使用信號量時當調用進程試圖獲得一個鎖定了的鎖時會導致進程睡眠，而自旋鎖則是一直循法的等待一直到該鎖解鎖了為止。

1)信號量

DECLARE_MUTEX(name);

DECLARE_MUTEX_LOCKED(name);

聲明和初始化用在互斥模式中的信號量的兩個宏

void init_MUTEX(struct semaphore *sem)

void init_MUTEX_LOCKER(struct semaphore*sem);

這兩個函數可以在運行時初始化信號量

void down(struct semaphore *sem);

int down_interruptible(struct semaphore*sem);

int down_trylock(struct semahpore *sem);

void up(struct semaphore *sem);

鎖定和解鎖信號量。如果必要,down會將調用進程置于不可中斷的休眠狀態；相反，down_interruptible可被信號中斷。down_trylock不會休眠，并且會在信號量不可用時立即返回。鎖定信號量的代碼最后必須使用up解鎖該信號量。

2)自旋鎖

spionlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;

spin_lock_init(spinlock_t *lock);

初始化自旋鎖的兩種方式。

voidspin_lock(spinlock_t *lock);

鎖定自旋鎖

voidspin_unlock(spinlock_t *lock);

解鎖自旋鎖

二、驅動代碼

#include???

#define?MEMDEV_MAJOR?251??

#define?MEMDEV_NUM?2??

#define?MEMDEV_SIZE?1024??

struct?mem_dev??

{??

unsignedint?size;??

char*data;??

structsemaphore?sem;??

};??

static?int?mem_major?=?MEMDEV_MAJOR;??

struct?cdev?mem_cdev;??

struct?mem_dev?*mem_devp;??

static?int?mem_open(struct?inode?*inode,struct?file?*filp)??

{??

structmem_dev?*dev;??

unsignedint?num;??

printk("mem_open.\n");??

num=?MINOR(inode->i_rdev);//獲得次設備號??

if(num>?(MEMDEV_NUM?-1))??????????//檢查次設備號有效性??

return-ENODEV;??

dev=?&mem_devp[num];??

filp->private_data=?dev;?//將設備結構保存為私有數據??

return0;??

}??

static?int?mem_release(struct?inode?*inode,struct?file?*filp)??

{??

printk("mem_release.\n");??

return0;??

}??

static?ssize_t?mem_read(struct?file?*filp,char?__user?*buf,?size_t?size,?loff_t?*ppos)??

{??

intret?=?0;??

structmem_dev?*dev;??

unsignedlong?p;??

unsignedlong?count;??

printk("mem_read.\n");??

dev=?filp->private_data;//獲得設備結構??

count=?size;??

p=?*ppos;??

//檢查偏移量和數據大小的有效性??

if(p>?MEMDEV_SIZE)??

return0;??

if(count>?(MEMDEV_SIZE-p))??

count=?MEMDEV_SIZE?-?p;??

if(down_interruptible(&dev->sem))//鎖定互斥信號量??

return?-ERESTARTSYS;??

//讀取數據到用戶空間??

if(copy_to_user(buf,dev->data+p,?count)){??

ret=?-EFAULT;??

printk("copyfrom?user?failed\n");??

}??

else{??

*ppos+=?count;??

ret=?count;??

printk("read%d?bytes?from?dev\n",?count);??

}??

up(&dev->sem);//解鎖互斥信號量??

returnret;??

}??

static?ssize_t?mem_write(struct?file?*filp,const?char?__user?*buf,?size_t?size,?loff_t?*ppos)//注意：第二個參數和read方法不同??

{??

intret?=?0;??

structmem_dev?*dev;??

unsignedlong?p;??

unsignedlong?count;??

printk("mem_write.\n");??

dev=?filp->private_data;??

count=?size;??

p=?*ppos;??

if(p>?MEMDEV_SIZE)??

return0;??

if(count>?(MEMDEV_SIZE-p))??

count=?MEMDEV_SIZE?-?p;??

if(down_interruptible(&dev->sem))//鎖定互斥信號量??

return-ERESTARTSYS;??

if(copy_from_user(dev->data+p,buf,?count)){??

ret=?-EFAULT;??

printk("copyfrom?user?failed\n");??

}??

else{??

*ppos+=?count;??

ret=?count;??

printk("write%d?bytes?to?dev\n",?count);??

}??

up(&dev->sem);//解鎖互斥信號量??

returnret;??

}??

static?loff_t?mem_llseek(struct?file?*filp,loff_t?offset,?int?whence)??

{??

intnewpos;??

printk("mem_llseek.\n");??

switch(whence)??

{??

case0:??

newpos=?offset;??

break;??

case1:??

newpos=?filp->f_pos?+?offset;??

break;??

case2:??

newpos=?MEMDEV_SIZE?-?1?+?offset;??

break;??

default:??

return-EINVAL;??

}??

if((newpos<0)||?(newpos>(MEMDEV_SIZE?-?1)))??

return-EINVAL;??

filp->f_pos=?newpos;??

returnnewpos;??

}??

static?const?struct?file_operationsmem_fops?=?{??

.owner=?THIS_MODULE,??

.open=?mem_open,??

.write=?mem_write,??

.read=?mem_read,??

.release=?mem_release,??

.llseek=?mem_llseek,??

};??

static?int?__init?memdev_init(void)??

{??

intresult;??

interr;??

inti;??

//申請設備號??

dev_tdevno?=?MKDEV(mem_major,?0);??

if(mem_major)??

result=?register_chrdev_region(devno,?MEMDEV_NUM,?"memdev");//注意靜態申請的dev_t參數和動態dev_t參數的區別??

else{??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????//靜態直接傳變量，動態傳變量指針??

result=?alloc_chrdev_region(&devno,?0,?MEMDEV_NUM,?"memdev");??

mem_major=?MAJOR(devno);??

}??

if(result

printk("can'tget?major?devno:%d\n",?mem_major);??

returnresult;??

}??

//注冊設備驅動??

cdev_init(&mem_cdev,&mem_fops);??

mem_cdev.owner=?THIS_MODULE;??

err=?cdev_add(&mem_cdev,?MKDEV(mem_major,?0),?MEMDEV_NUM);//如果有N個設備就要添加N個設備號??

if(err)??

printk("addcdev?faild,err?is?%d\n",?err);??

//分配設備內存??

mem_devp=?kmalloc(MEMDEV_NUM*(sizeof(struct?mem_dev)),?GFP_KERNEL);??

if(!mem_devp){??

result?=?-?ENOMEM;??

goto?fail_malloc;??

}??

memset(mem_devp,0,?MEMDEV_NUM*(sizeof(struct?mem_dev)));??

for(i=0;i

mem_devp[i].size=?MEMDEV_SIZE;??

mem_devp[i].data=?kmalloc(MEMDEV_SIZE,?GFP_KERNEL);??

memset(mem_devp[i].data,0,?MEMDEV_SIZE);??

init_MUTEX(&mem_devp[i].sem);//初始化互斥鎖??

}??

returnresult;??

fail_malloc:??

unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major,0),?MEMDEV_NUM);??

returnresult;??

}??

static?void?memdev_exit(void)??

{??

cdev_del(&mem_cdev);??

unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major,0),?MEMDEV_NUM);//注意釋放的設備號個數一定要和申請的設備號個數保存一致??

//否則會導致設備號資源流失??

printk("memdev_exit\n");??

}??

module_init(memdev_init);??

module_exit(memdev_exit);??

MODULE_AUTHOR("Y-Kee");??

MODULE_LICENSE("GPL");??

#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #define MEMDEV_MAJOR 251#define MEMDEV_NUM 2#define MEMDEV_SIZE 1024struct mem_dev{unsignedint size;char*data;structsemaphore sem;};static int mem_major = MEMDEV_MAJOR;struct cdev mem_cdev;struct mem_dev *mem_devp;static int mem_open(struct inode *inode,struct file *filp){structmem_dev *dev;unsignedint num;printk("mem_open.\n");num= MINOR(inode->i_rdev);//獲得次設備號if(num> (MEMDEV_NUM -1)) //檢查次設備號有效性return-ENODEV;dev= &mem_devp[num];filp->private_data= dev; //將設備結構保存為私有數據return0;}static int mem_release(struct inode *inode,struct file *filp){printk("mem_release.\n");return0;}static ssize_t mem_read(struct file *filp,char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos){intret = 0;structmem_dev *dev;unsignedlong p;unsignedlong count;printk("mem_read.\n");dev= filp->private_data;//獲得設備結構count= size;p= *ppos;//檢查偏移量和數據大小的有效性if(p> MEMDEV_SIZE)return0;if(count> (MEMDEV_SIZE-p))count= MEMDEV_SIZE - p;if(down_interruptible(&dev->sem))//鎖定互斥信號量return -ERESTARTSYS;//讀取數據到用戶空間if(copy_to_user(buf,dev->data+p, count)){ret= -EFAULT;printk("copyfrom user failed\n");}else{*ppos+= count;ret= count;printk("read%d bytes from dev\n", count);}up(&dev->sem);//解鎖互斥信號量returnret;}static ssize_t mem_write(struct file *filp,const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)//注意：第二個參數和read方法不同{intret = 0;structmem_dev *dev;unsignedlong p;unsignedlong count;printk("mem_write.\n");dev= filp->private_data;count= size;p= *ppos;if(p> MEMDEV_SIZE)return0;if(count> (MEMDEV_SIZE-p))count= MEMDEV_SIZE - p;if(down_interruptible(&dev->sem))//鎖定互斥信號量return-ERESTARTSYS;if(copy_from_user(dev->data+p,buf, count)){ret= -EFAULT;printk("copyfrom user failed\n");}else{*ppos+= count;ret= count;printk("write%d bytes to dev\n", count);}up(&dev->sem);//解鎖互斥信號量returnret;}static loff_t mem_llseek(struct file *filp,loff_t offset, int whence){intnewpos;printk("mem_llseek.\n");switch(whence){case0:newpos= offset;break;case1:newpos= filp->f_pos + offset;break;case2:newpos= MEMDEV_SIZE - 1 + offset;break;default:return-EINVAL;}if((newpos<0)|| (newpos>(MEMDEV_SIZE - 1)))return-EINVAL;filp->f_pos= newpos;returnnewpos;}static const struct file_operationsmem_fops = {.owner= THIS_MODULE,.open= mem_open,.write= mem_write,.read= mem_read,.release= mem_release,.llseek= mem_llseek,};static int __init memdev_init(void){intresult;interr;inti;//申請設備號dev_tdevno = MKDEV(mem_major, 0);if(mem_major)result= register_chrdev_region(devno, MEMDEV_NUM, "memdev");//注意靜態申請的dev_t參數和動態dev_t參數的區別else{ //靜態直接傳變量，動態傳變量指針result= alloc_chrdev_region(&devno, 0, MEMDEV_NUM, "memdev");mem_major= MAJOR(devno);}if(result< 0){printk("can'tget major devno:%d\n", mem_major);returnresult;}//注冊設備驅動cdev_init(&mem_cdev,&mem_fops);mem_cdev.owner= THIS_MODULE;err= cdev_add(&mem_cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NUM);//如果有N個設備就要添加N個設備號if(err)printk("addcdev faild,err is %d\n", err);//分配設備內存mem_devp= kmalloc(MEMDEV_NUM*(sizeof(struct mem_dev)), GFP_KERNEL);if(!mem_devp){result = - ENOMEM;goto fail_malloc;}memset(mem_devp,0, MEMDEV_NUM*(sizeof(struct mem_dev)));for(i=0;i

三、疑點難點

__init

__initdata

__exit

__exitdata

僅用于模塊初始化或清除階段的函數(__init和__exit)和數據(__initdata和__exitdata)標記。標記為初始化項目會在初始化結束后丟棄；而退出在內核未被配置為可卸載模塊的情況下被簡單的丟棄。被標記為__exit的函數只能在模塊卸載或者系統關閉時被調用，其他任何用法都是錯誤的。內核通過對應的目標對象放置在可執行文件的特殊ELF段中而讓這些標記起作用。

2.static

初始化函數應該被聲明為static，因為這種函數在特定文件之外沒有其他意義。因為一個模塊函數要對內核其他部分課件，則必須顯示導出，因此這并不是什么強制性規則。

3. struct module *owner

內核使用這個字段以避免在模塊操作正在使用時卸載該模塊。幾乎在所有的情況下，該成員都會被初始化為THIS_MODULE。它是定義在中的一個宏。

4 __user

我們會注意到許多參數包括含有__user字串，它其實是一種形式的文檔而已，表面指針是一個用戶指針，因此不能被直接用。對通常的編譯來講，__user沒有任何效果，但是可由外部檢查軟件使用，用來尋找對用戶空間地址錯誤使用。

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