二 实例剖析

我们来写一个最简单的字符设备驱动程序。虽然它什么也不做,但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理。把下面的C代码输入机器,你就会获得一个真正的设备驱动程序。不过我的kernel是2。0。34,在低版本的kernel上可能会出现问题,我还没测试过。

#define __NO_VERSION__#include #include

char kernel_version [] = UTS_RELEASE;

这一段定义了一些版本信息,虽然用处不是很大,但也必不可少。Johnsonm说所有的驱动程序的开头都要包含,但我看倒是未必。由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道,对设备文件的操作方式不外乎就是一些系统调用,如 open,read,write,close。。。。, 注意,不是fopen, fread。,但是如何把系统调用和驱动程序关联起来呢?这需要了解一个非常关键的数据结构:

struct file_operations {

int (*seek) (struct inode * ,struct file *, off_t ,int);

int (*read) (struct inode * ,struct file *, char ,int);

int (*write) (struct inode * ,struct file *, off_t ,int);

int (*readdir) (struct inode * ,struct file *, struct dirent * ,int);

int (*select) (struct inode * ,struct file *, int ,select_table *);

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

int (*mmap) (struct inode * ,struct file *, struct vm_area_struct *);

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

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

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

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

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

int (*revalidate) (dev_t dev);

}

这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read/write操作时,系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序,然后读取这个数据结构相应的函数指针,接着把控制权交给该函数。这是linux的设备驱动程序工作的基本原理。既然是这样,则编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数,并填充file_operations的各个域。相当简单,不是吗?

下面就开始写子程序。

#include

#include

#include

#include

#include

unsigned int test_major = 0;

static int read_test(struct inode *node,struct file *file,

char *buf,int count)

{

int left;

if (verify_area(VERIFY_WRITE,buf,count) == -EFAULT )

return -EFAULT;

for(left = count ; left > 0 ; left--)

{

__put_user(1,buf,1);

buf++;

}

return count;

}

这个函数是为read调用准备的。当调用read时,read_test()被调用,它把用户的缓冲区全部写1。buf 是read调用的一个参数。它是用户进程空间的一个地址。但是在read_test被调用时,系统进入核心态。所以不能使用buf这个地址,必须用__put_user(),这是kernel提供的一个函数,用于向用户传送数据。另外还有很多类似功能的函数。请参考。在向用户空间拷贝数据之前,必须验证buf是否可用。这就用到函数verify_area。

static int write_tibet(struct inode *inode,struct file *file,

const char *buf,int count)

{

return count;

}

static int open_tibet(struct inode *inode,struct file *file )

{

MOD_INC_USE_COUNT;

return 0;

} static void release_tibet(struct inode *inode,struct file *file )

{

MOD_DEC_USE_COUNT;

}

这几个函数都是空操作。实际调用发生时什么也不做，他们仅仅为下面的结构提供函数指针。

struct file_operations test_fops = {

NULL,

read_test,

write_test,

NULL, /* test_readdir */

NULL,

NULL, /* test_ioctl */

NULL, /* test_mmap */

open_test,

release_test, NULL, /* test_fsync */

NULL, /* test_fasync */

/* nothing more, fill with NULLs */

};

设备驱动程序的主体可以说是写好了。现在要把驱动程序嵌入内核。驱动程序可以按照两种方式编译。一种是编译进kernel，另一种是编译成模块(modules),如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文件，而且不能动态的卸载，不利于调试，所以推荐使用模块方式。

int init_module(void)

{

int result;

result = register_chrdev(0, "test", &test_fops);

if (result < 0) {

printk(KERN_INFO "test: can't get major number ");

return result;

}

if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */

return 0;

}

在用insmod命令将编译好的模块调入内存时，init_module 函数被调用。在这里，init_module只做了一件事，就是向系统的字符设备表登记了一个字符设备。register_chrdev需要三个参数，参数一是希望获得的设备号，如果是零的话，系统将选择一个没有被占用的设备号返回。参数二是设备文件名，参数三用来登记驱动程序实际执行操作的函数的指针。如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功，返回一个负值。

void cleanup_module(void){unregister_chrdev(test_major, "test");}

在用rmmod卸载模块时，cleanup_module函数被调用，它释放字符设备test在系统字符设备表中占有的表项。

一个极其简单的字符设备可以说写好了，文件名就叫test。c吧。下面编译

$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test。c

得到文件test。o就是一个设备驱动程序。如果设备驱动程序有多个文件，把每个文件按上面的命令行编译，然后:

ld -r file1。o file2。o -o modulename。

驱动程序已经编译好了，现在把它安装到系统中去。

$ insmod -f test

如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test,并可以看到它的主设备号,要卸载的话，运行

$ rmmod test

下一步要创建设备文件。

mknod /dev/test c major minor

c 是指字符设备，major是主设备号，就是在/proc/devices里看到的。用shell命令

$ cat /proc/devices | awk "\$2=="test" {print \$1}"

就可以获得主设备号，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。minor是从设备号，设置成0就可以了。我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个小小的测试程序。

#include

#include

#include

#include

main()

{

int testdev;

int i;

char buf[10];

testdev = open("/dev/test",O_RDWR);

if ( testdev == -1 )

{

printf("Cann't open file ");

exit(0);

}

read(testdev,buf,10);

for (i = 0; i < 10;i++)

printf("%d ",buf[i]);

close(testdev);

}

编译运行，看看是不是打印出全1 ？

以上只是一个简单的演示。真正实用的驱动程序要复杂的多，要处理如中断，DMA，I/O port等问题。这些才是真正的难点。请看下节，实际情况的处理。