Linux设备驱动程序设计实例

Linux设备驱动程序设计实例
穆华俊
Linux系统中，设备驱动程序是操作系统内核的重要组成部分，在 与硬件设备之间
建立了标准的抽象接口。通过这个接口，用户可以像处理普通文件一样，对硬件设
备进行打开(open)、关闭(close)、读写(read/write)等操作。通过分析和设计设
备驱动程序，可以深入理解Linux系统和进行系统开发。本文通过一个简单的例子
来说明设备驱动程序的设计。
1、     程序清单
//            MyDev.c           2000年2月7日编写
#ifndef __KERNEL__
#  define __KERNEL__    //按内核模块编译
#endif
#ifndef MODULE
#  define MODULE                //设备驱动程序模块编译
#endif
#define DEVICE_NAME "MyDev"     
#define OPENSPK 1
#define CLOSESPK 2
//必要的头文件
#include <linux/module.h>        //同kernel.h,最基本的内核模块头文件
#include <linux/kernel.h>  //同module.h,最基本的内核模块头文件
#include <linux/sched.h>  //这里包含了进行正确性检查的宏
#include <linux/fs.h>     //文件系统所必需的头文件
#include <asm/uaccess.h>  //这里包含了内核空间与用户空间进行数据交换时的
函数宏
#include <asm/io.h>      //I/O访问
int my_major=0;                 //主设备号
static int Device_Open=0;
static char Message[]="This is from device driver";
char *Message_Ptr;
int my_open(struct inode *inode, struct file *file)
{//每当应用程序用open打开设备时，此函数被调用
  printk ("\ndevice_open(%p,%p)\n", inode, file);
  if (Device_Open)
    return -EBUSY;      //同时只能由一个应用程序打开
  Device_Open++;
  MOD_INC_USE_COUNT;    //设备打开期间禁止卸载
  return 0;
}
static void  my_release(struct inode *inode, struct file *file)
{//每当应用程序用close关闭设备时，此函数被调用
  printk ("\ndevice_release(%p,%p)\n", inode, file);
  Device_Open --;
  MOD_DEC_USE_COUNT;    //引用计数减1
}
ssize_t  my_read (struct file *f,char *buf,int size,loff_t off)
{//每当应用程序用read访问设备时，此函数被调用
    int bytes_read=0;       
#ifdef DEBUG
    printk("\nmy_read is called. User buffer is %p,size is %d\n",buf,size);
#endif
if (verify_area(VERIFY_WRITE,buf,size)==-EFAULT) 
    return -EFAULT;
        Message_Ptr=Message;
        while(size && *Message_Ptr)
        {       
                if(put_user(*(Message_Ptr++),buf++))    //写数据到用户空间
                       return -EINVAL;
                size --;
                bytes_read++;
        }
        return bytes_read; 
}
ssize_t my_write (struct file *f,const char *buf, int size,loff_t off)
{//每当应用程序用write访问设备时，此函数被调用
    int i;
        unsigned char uc;
#ifdef DEBUG
    printk("\nmy_write is called. User buffer is %p,size is %d\n",buf,size);
#endif
if (verify_area(VERIFY_WRITE,buf,size)==-EFAULT) 
return -EFAULT;
        printk("\nData below is from user program:\n");
        for (i=0;i<size;i++)
                if(!get_user(uc,buf++)) //从用户空间读数据
                        printk("%02x ",uc);
        return size; 
}
int my_ioctl(struct inode *inod,struct file *f,unsigned int arg1,
unsigned int arg2)
{//每当应用程序用ioctl访问设备时，此函数被调用
#ifdef DEBUG
    printk("\nmy_ioctl is called. Parameter is %p,size is %d\n",arg1);
#endif
        switch (arg1)
{
        case OPENSPK:
                printk("\nNow,open PC's speaker.\n");
                outb(inb(0x61)|3,0x61); //打开计算机的扬声器
                break;
        case CLOSESPK:
                printk("\nNow,close PC's speaker.");
                outb(inb(0x61)&0xfc,0x61);//关闭计算机的扬声器
                break;
}
}
        
struct file_operations my_fops = {
    NULL,          /* lseek */
    my_read,
    my_write,
          NULL,
          NULL,
          my_ioctl,
          NULL,
          my_open,
          my_release,
        /* nothing more, fill with NULLs */
};
int init_module(void)
{//每当装配设备驱动程序时，系统自动调用此函数
    int result;
    result = register_chrdev(my_major,DEVICE_NAME,&my_fops); 
    if (result < 0) return result;
    if (my_major == 0) 
                        my_major = result; 
          printk("\nRegister Ok. major-number=%d\n",result);
          return 0;
}
void cleanup_module(void)
{//每当卸载设备驱动程序时，系统自动调用此函数
    printk("\nunload\n");
                unregister_chrdev(my_major, DEVICE_NAME);
}

2、     设备    驱动程序设计
    Linux设备分为字符设备、块设备和网络设备。字符设备是不需要缓冲而直接
读写的设备，如串口、键盘、鼠标等，本例就是字符设备驱动程序；块设备的访问
通常需要缓冲来支持，以数据块为单位来读写，如磁盘设备等；网络设备是通过套
接字来访问的特殊设备。
1) 设备驱动程序和内核与应用程序的接口
    无论哪种类型的设备，Linux都是通过在内核中维护特殊的设备控制块来与设
备驱动程序接口的。在字符设备和块设备的控制块中，有一个重要的数据结构
file_operations，该结构中包含了驱动程序提供给应用程序访问硬件设备的各种
方法，其定义如下（参见fs.h）：
struct file_operations {
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);        //响应应用程序中lseek调
用的函数指针
        ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
//响应应用程序中read调用的函数指针
        ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
//响应应用程序中write调用的函数指针
        int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); //响应应用程序中
readdir调用的函数指针 
        unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
//响应应用程序中select调用的函数指针
        int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned 
long);
                                                                                //响应应用程序中ioctl调用的函数指针
        int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); 
                                    //响应应用程序中mmap调用的函数指针
        int (*open) (struct inode *, struct file *);    //响应应用程序中open调
用的函数指针
        int (*flush) (struct file *);               
        int (*release) (struct inode *, struct file *);  //响应应用程序中close
调用的函数指针
        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 *);
};
多数情况下，只需为上面结构中的少数方法编写服务函数，其他均设为NULL即可。

每一个可装配的设备驱动程序都必须有init_module和cleanup_module两个函数，
装载和卸载设备时内核自动调用这两个函数。在init_module中，除了可以对硬件
设备进行检查和初始化外，还必须调用register_* 函数将设备登记到系统中。本
例中是通过register_chrdev来登记的，如果是块设备或网络设备则应该用
register_blkdev和register_netdev来登记。Register_chrdev 的主要功能是将设
备名和结构file_operations登记到系统的设备控制块中。
2) 与应用程序的数据交换
由于设备驱动程序工作在内核存储空间，不能简单地用"="、"memcpy"等方法与应
用程序交换数据。在头文件uaccess.h中定义了方法put_user(x, ptr)和
get_user(x, ptr)，用于内核空间与用户空间的数据交换。值x的类型根据指针
ptr的类型确定，请参见源代码中的my_read与my_write函数。
3) 与硬件设备的接口
Linux中为设备驱动程序访问I/O端口、硬件中断和DMA提供了简便方法，相应的头
文件分别为io.h、irq.h、dma.h。由于篇辐限制，本例中只涉及到I/O端口访问。
Linux提供的I/O端口访问方法主要有：inb()、inw()、outb()、outw()、inb_p()
、inw_p()、outb_p()、outw_p()等。要注意的是，设备驱动程序在使用端口前，
应该先用check_region()检查该端口的占用情况，如果指定的端口可用，则再用
request_region()向系统登记。说明check_region()、request_region()的头文件
是ioport.h。
4) 内存分配
设备驱动程序作为内核的一部分，不能使用虚拟内存，必须利用内核提供的
kmalloc()与kfree()来申请和释放内核存储空间。Kmalloc()带两个参数，第一个
要申请的是内存数量，在早期的版本中，这个数量必须是2的整数幂，如128、256
。关于kmalloc()与kfree()的用法，可参考内核源程序中的malloc.h与slab.c程序
。

3、程序的编译和访问
本例在Linux 2.2.x.x中可以成功编译和运行。先用下面的命令行进行编译：
gcc -Wall -O2 -c MyDev.c
该命令行中参数-Wall告诉编译程序显示警告信息；参数-O2是关于代码优化的设置
，注意内核模块必须优化；参数-c规定只进行编译和汇编，不进行连接。
正确编译后，形成MyDev.o文件。可以输入命令insmod MyDev.o来装载此程序。如
果装配成功，则显示信息：Register Ok.major-number=xx。利用命令lsmod可以看
到该模块被装配到系统中。
为了访问该模块，应该用命令mknode来创建设备文件。下面的应用程序可以对创建
的设备文件进行访问。
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#define DEVICE_NAME MyDev
#define OPENSPK 1
#define CLOSESPK 2
char buf[128];
int main(){
                int f=open(DEVICE_NAME,O_RDRW);
                if (f==-1) return 1;
                printf("\nHit enter key to read device...");
      read(f,buf,128);  printf(buf);
printf("\nHit enter key to write device ...");
write(f,"test",4);
printf("\nHit enter key to open PC's speaker...");
ioctl(f,OPENSPK);
printf("\nHit enter key to close PC's speaker...");
ioctl(f,CLOSESPK);
                close(f);
                }