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Linux设备驱动开发之字符设备驱动编程分析
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2017-10-18
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1．字符设备驱动编写流程
设备驱动程序可以使用模块的方式动态加载到内核中去。加载模块的方式与以往的应用程序开发有很大的不同。以往在开发应用程序时都有一个main（）函数作为程序的入口点，而在驱动开发时却没有main（）函数，模块在调用insmod命令时被加载，此时的入口点是init_module（）函数，通常在该函数中完成设备的注册。同样，模块在调用rmmod命令时被卸载，此时的入口点是cleanup_module（）函数，在该函数中完成设备的卸载。在设备完成注册加载之后，用户的应用程序就可以对该设备进行一定的操作，如open（）、read（）、write（）等，而驱动程序就是用于实现这些操作，在用户应用程序调用相应入口函数时执行相关的操作，init_module（）入口点函数则不需要完成其他如read（）、write（）之类功能。
上述函数之间的关系如图11.3所示。
图11.3 设备驱动程序流程图
2．重要数据结构
用户应用程序调用设备的一些功能是在设备驱动程序中定义的，也就是设备驱动程序的入口点，它是一个在《linux/fs.h》中定义的struct file_operations结构，这是一个内核结构，不会出现在用户空间的程序中，它定义了常见文件I/O函数的入口，如下所示：
struct file_operations
{
loff_t （*llseek） （struct file *， loff_t， int）;
ssize_t （*read） （struct file *filp，
char *buff， size_t count， loff_t *offp）;
ssize_t （*write） （struct file *filp，
const char *buff， size_t count， loff_t *offp）;
int （*readdir） （struct file *， void *， filldir_t）;
unsigned int （*poll） （struct file *， struct poll_table_struct *）;
int （*ioctl） （struct inode *，
struct file *， unsigned int， unsigned long）;
int （*mmap） （struct file *， struct vm_area_struct *）;
int （*open） （struct inode *， struct file *）;
int （*flush） （struct file *）;
int （*release） （struct inode *， struct file *）;
int （*fsync） （struct file *， struct dentry *）;
int （*fasync） （int， struct file *， int）;
int （*check_media_change） （kdev_t dev）;
int （*revalidate） （kdev_t dev）;
int （*lock） （struct file *， int， struct file_lock *）;
};
这里定义的很多函数是否跟第6章中的文件I/O系统调用类似？其实当时的系统调用函数通过内核，最终调用对应的struct file_operations结构的接口函数（例如，open（）文件操作是通过调用对应文件的file_operations结构的open函数接口而被实现）。当然，每个设备的驱动程序不一定要实现其中所有的函数操作，若不需要定义实现时，则只需将其设为NULL即可。
struct inode结构提供了关于设备文件/dev/driver（假设此设备名为driver）的信息，struct file结构提供关于被打开的文件信息，主要用于与文件系统对应的设备驱动程序使用。struct file结构较为重要，这里列出了它的定义：
struct file
{
mode_t f_mode;/*标识文件是否可读或可写，FMODE_READ或FMODE_WRITE*/
dev_t f_rdev; /* 用于/dev/tty */
off_t f_pos; /* 当前文件位移 */
unsigned short f_flags; /* 文件标志，如O_RDONLY、O_NONBLOCK和O_SYNC */
unsigned short f_count; /* 打开的文件数目 */
unsigned short f_reada;
struct inode *f_inode; /*指向inode的结构指针 */
struct file_operations *f_op;/* 文件索引指针 */
};
3．设备驱动程序主要组成
（1）早期版本的字符设备注册。
早期版本的设备注册使用函数register_chrdev（），调用该函数后就可以向系统申请主设备号，如果register_chrdev（）操作成功，设备名就会出现在/proc/devices文件里。在关闭设备时，通常需要解除原先的设备注册，此时可使用函数unregister_chrdev（），此后该设备就会从/proc/devices里消失。其中主设备号和次设备号不能大于255。
当前不少的字符设备驱动代码仍然使用这些早期版本的函数接口，但在未来内核的代码中，将不会出现这种编程接口机制。因此应该尽量使用后面讲述的编程机制。
register_chrdev（）函数格式如表11.1所示。
表11.1 register_chrdev（）函数语法要点
所需头文件#include 《linux/fs.h》
函数原型int register_chrdev（unsigned int major， const char *name，struct file_operations *fops）
函数传入值major：设备驱动程序向系统申请的主设备号，如果为0则系统为此驱动程序动态地分配一个主设备号
设备驱动程序可以使用模块的方式动态加载到内核中去。加载模块的方式与以往的应用程序开发有很大的不同。以往在开发应用程序时都有一个main（）函数作为程序的入口点，而在驱动开发时却没有main（）函数，模块在调用insmod命令时被加载，此时的入口点是init_module（）函数，通常在该函数中完成设备的注册。同样，模块在调用rmmod命令时被卸载，此时的入口点是cleanup_module（）函数，在该函数中完成设备的卸载。在设备完成注册加载之后，用户的应用程序就可以对该设备进行一定的操作，如open（）、read（）、write（）等，而驱动程序就是用于实现这些操作，在用户应用程序调用相应入口函数时执行相关的操作，init_module（）入口点函数则不需要完成其他如read（）、write（）之类功能。
上述函数之间的关系如图11.3所示。
图11.3 设备驱动程序流程图
2．重要数据结构
用户应用程序调用设备的一些功能是在设备驱动程序中定义的，也就是设备驱动程序的入口点，它是一个在《linux/fs.h》中定义的struct file_operations结构，这是一个内核结构，不会出现在用户空间的程序中，它定义了常见文件I/O函数的入口，如下所示：
struct file_operations
{
loff_t （*llseek） （struct file *， loff_t， int）;
ssize_t （*read） （struct file *filp，
char *buff， size_t count， loff_t *offp）;
ssize_t （*write） （struct file *filp，
const char *buff， size_t count， loff_t *offp）;
int （*readdir） （struct file *， void *， filldir_t）;
unsigned int （*poll） （struct file *， struct poll_table_struct *）;
int （*ioctl） （struct inode *，
struct file *， unsigned int， unsigned long）;
int （*mmap） （struct file *， struct vm_area_struct *）;
int （*open） （struct inode *， struct file *）;
int （*flush） （struct file *）;
int （*release） （struct inode *， struct file *）;
int （*fsync） （struct file *， struct dentry *）;
int （*fasync） （int， struct file *， int）;
int （*check_media_change） （kdev_t dev）;
int （*revalidate） （kdev_t dev）;
int （*lock） （struct file *， int， struct file_lock *）;
};
这里定义的很多函数是否跟第6章中的文件I/O系统调用类似？其实当时的系统调用函数通过内核，最终调用对应的struct file_operations结构的接口函数（例如，open（）文件操作是通过调用对应文件的file_operations结构的open函数接口而被实现）。当然，每个设备的驱动程序不一定要实现其中所有的函数操作，若不需要定义实现时，则只需将其设为NULL即可。
struct inode结构提供了关于设备文件/dev/driver（假设此设备名为driver）的信息，struct file结构提供关于被打开的文件信息，主要用于与文件系统对应的设备驱动程序使用。struct file结构较为重要，这里列出了它的定义：
struct file
{
mode_t f_mode;/*标识文件是否可读或可写，FMODE_READ或FMODE_WRITE*/
dev_t f_rdev; /* 用于/dev/tty */
off_t f_pos; /* 当前文件位移 */
unsigned short f_flags; /* 文件标志，如O_RDONLY、O_NONBLOCK和O_SYNC */
unsigned short f_count; /* 打开的文件数目 */
unsigned short f_reada;
struct inode *f_inode; /*指向inode的结构指针 */
struct file_operations *f_op;/* 文件索引指针 */
};
3．设备驱动程序主要组成
（1）早期版本的字符设备注册。
早期版本的设备注册使用函数register_chrdev（），调用该函数后就可以向系统申请主设备号，如果register_chrdev（）操作成功，设备名就会出现在/proc/devices文件里。在关闭设备时，通常需要解除原先的设备注册，此时可使用函数unregister_chrdev（），此后该设备就会从/proc/devices里消失。其中主设备号和次设备号不能大于255。
当前不少的字符设备驱动代码仍然使用这些早期版本的函数接口，但在未来内核的代码中，将不会出现这种编程接口机制。因此应该尽量使用后面讲述的编程机制。
register_chrdev（）函数格式如表11.1所示。
表11.1 register_chrdev（）函数语法要点
所需头文件#include 《linux/fs.h》
函数原型int register_chrdev（unsigned int major， const char *name，struct file_operations *fops）
函数传入值major：设备驱动程序向系统申请的主设备号，如果为0则系统为此驱动程序动态地分配一个主设备号
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