原文出處:
http://blog.csdn.net/21cnbao/article/details/7526159
宋老師的排版不太好，我整理了一下 ，轉載到自己的博客空間。
第六章 字符設備驅動
本章導讀
在整個Linux設備驅動的學習中，字符設備驅動較爲基礎。本章將展示Linux字符設備驅動程序的結構，並解釋其主要組成部分的編程方法。6.1節講解了Linux字符設備驅動的關鍵數據結構cdev及file_operations結構體的操作方法，並分析了Linux字符設備的整體結構，給出了簡單的設計模板。
6.2節描述了本章及後續各章節所基於的globalmem虛擬字符設備，6～9章都將基於該虛擬設備實例進行字符設備驅動及併發控制等知識的講解。
6.3節依據6.1節的知識講解globalmem設備的驅動編寫方法，對讀寫函數、seek()函數和IO控制函數等進行了重點分析。該節的最後改造globalmem的驅動程序以利用文件私有數據。
6.4節給出了6.3的globalmem設備驅動在用戶空間的驗證。
6.1 Linux字符設備驅動結構
6.1.1 cdev結構體
在Linux 2.6內核中，使用 cdev 結構體描述一個字符設備，cdev 結構體的定義如代碼清單6.1。代碼清單 6.1 cdev 結構體
struct cdev {
struct kobject kobj; /* 內嵌的kobject對象 */
struct module *owner; /* 所屬模塊 */
struct file_operations *ops; /* 文件操作結構體 */
struct list_head list;
dev_t dev; /* 設備號 */
unsigned int count;
};MAJOR(dev_t dev)
MINOR(dev_t dev)MKDEV(int major, int minor)Linux 2.6 內核提供了一組函數用於操作 cdev 結構體：
void cdev_init (struct cdev *, struct file_operations *);
struct cdev *cdev_alloc(void);
void cdev_put (struct cdev *p);
int cdev_add (struct cdev *, dev_t, unsigned);
void cdev_del (struct cdev *);代碼清單6.2 cdev_init() 函數
void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops) {
memset(cdev, 0, sizeof *cdev);
INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);
kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);
cdev->ops = fops; /* 將傳入的文件操作結構體指針賦值給 cdev 的 ops */
}代碼清單6.3 cdev_alloc() 函數
struct cdev *cdev_alloc(void) {
struct cdev *p = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);
if (p) {
INIT_LIST_HEAD(&p->list);
kobject_init(&p->kobj,&ktype_cdev_dynamic);
}
return p;
}對 cdev_add() 的調用通常發生在字符設備驅動模塊加載函數中，而對 cdev_del() 函數的調用則通常發生在字符設備驅動模塊卸載函數中。
6.1.2分配和釋放設備號
在調用 cdev_add() 函數向系統註冊字符設備之前，應首先調用 register_chrdev_region() 或 alloc_chrdev_region() 函數向系統申請設備號，這兩個函數的原型爲：int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);函數調用成功之後，會把得到的設備號放入第一個參數 dev 中。
alloc_chrdev_region() 與 register_chrdev_region() 對比的優點在於它會自動避開設備號重複的衝突。
相反地，在調用 cdev_del() 函數從系統註銷字符設備之後，unregister_chrdev_region() 應該被調用以釋放原先申請的設備號，這個函數的原型爲：
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);6.1.3 file_operations結構體
file_operations 結構體中的成員函數是字符設備驅動程序設計的主體內容，這些函數實際會在應用程序進行 Linux 的 open()、write()、read()、close() 等系統調用時最終被調用。file_operations 結構體目前已經比較龐大，它的定義如代碼清單6.4。
代碼清單6.4 file_operations 結構體
struct file_operations {
struct module *owner; /* 擁有該結構的模塊的指針，一般爲THIS_MODULES */
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); /* 用來修改文件當前的讀寫位置 */
ssize_t (*read) (struct file *, char __user*, size_t, loff_t*); /* 從設備中同步讀取數據 */
ssize_t (*write) (struct file *, const char__user *, size_t, loff_t*); /* 向設備發送數據 */
ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, char__user *, size_t, loff_t); /* 初始化一個異步的讀取操作*/
ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, constchar __user *, size_t, loff_t); /* 初始化一個異步的寫入操作 */
int (*readdir) (struct file *, void *,filldir_t); /* 僅用於讀取目錄，對於設備文件，該字段爲 NULL */
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); /* 輪詢函數，判斷目前是否可以進行非阻塞的讀取或寫入 */
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *,unsigned int, unsigned long); /* 執行設備IO控制命令 */
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); /* 不使用BLK的文件系統，將使用此種函數指針代替ioctl */
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsignedint, unsigned long); /* 在64位系統上，32位的ioctl調用，將使用此函數指針代替 */
int (*mmap) (struct file *, structvm_area_struct*); /* 用於請求將設備內存映射到進程地址空間 */
int (*open) (struct inode *, struct file *); /* 打開 */
int (*flush) (struct file *);
int (*release) (struct inode *, struct file *); /* 關閉 */
int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); /* 刷新待處理的數據 */
int (*aio_fsync) (struct kiocb *, intdatasync); /* 異步fsync */
int (*fasync) (int, struct file *, int); /* 通知設備FASYNC標誌發生變化 */
int (*lock) (struct file *, int, structfile_lock*);
ssize_t (*sendpage) (struct file *, structpage *, int, size_t, loff_t *, int); /* 通常爲NULL */
unsigned long(*get_unmapped_area)(structfile *,unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long); /* 在當前進程地址空間找到一個未映射的內存段 */
int (*check_flags) (int); /* 允許模塊檢查傳遞給fcntl(F_SETEL...)調用的標誌 */
int (*dir_notify) (struct file *filp, unsignedlong arg); /* 對文件系統有效，驅動程序不必實現 */
int (*flock) (struct file *, int, structfile_lock *);
ssize_t (*splice_write) (struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int); /* 由VFS調用，將管道數據粘接到文件 */
ssize_t (*splice_read) (struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int); /* 由VFS調用，將文件數據粘接到管道 */
int (*setlease) (struct file *, long, struct file_lock **);
}; llseek() 函數用來修改一個文件的當前讀寫位置，並將新位置返回，在出錯時，這個函數返回一個負值。
read() 函數用來從設備中讀取數據，成功時函數返回讀取的字節數，出錯時返回一個負值。
write() 函數向設備發送數據，成功時該函數返回寫入的字節數。如果此函數未被實現，當用戶進行 write() 系統調用時，將得到 -EINVAL 返回值。
readdir() 函數僅用於目錄，設備節點不需要實現它。
ioctl() 提供設備相關控制命令的實現（既不是讀操作也不是寫操作），當調用成功時，返回給調用程序一個非負值。
mmap() 函數將設備內存映射到進程內存中，如果設備驅動未實現此函數，用戶進行 mmap() 系統調用時將獲得 -ENODEV 返回值。這個函數對於幀緩衝等設備特別有意義。
當用戶空間調用 Linux API 函數 open() 打開設備文件時，設備驅動的 open() 函數最終被調用。
驅動程序可以不實現這個函數，在這種情況下，設備的打開操作永遠成功。
與 open() 函數對應的是 release() 函數。
poll() 函數一般用於詢問設備是否可被非阻塞的立即讀寫。當詢問的條件未觸發時，用戶空間進行 select() 和 poll() 系統調用將引起進程的阻塞。
aio_read() 和 aio_write() 函數分別對與文件描述符對應的設備進行異步讀、寫操作。
設備實現這兩個函數後，用戶空間可以對該設備文件描述符調用 aio_read()、aio_write() 等系統調用進行讀寫。
6.1.4 Linux 字符設備驅動的組成
在 Linux 中，字符設備驅動由如下幾個部分組成：字符設備驅動模塊加載與卸載函數
在字符設備驅動模塊加載函數中應該實現設備號的申請和cdev的註冊，而在卸載函數中應實現設備號的釋放和cdev的註銷。
工程師通常習慣爲設備定義一個設備相關的結構體，其包含該設備所涉及到的 cdev 、私有數據及信號量等信息。常見的設備結構體、模塊加載和卸載函數形式如代碼清單6.5。
代碼清單6.5 字符設備驅動模塊加載與卸載函數模板
/* 設備結構體 */
struct xxx_dev_t {
struct cdev cdev;
...
} xxx_dev;
/* 設備驅動模塊加載函數
static int __init xxx_init(void)
{
...
cdev_init(&xxx_dev.cdev, &xxx_fops); /* 初始化 cdev */
xxx_dev.cdev.owner = THIS_MODULE;
/* 獲取字符設備號 */
if (xxx_major) {
register_chrdev_region(xxx_dev_no, 1, DEV_NAME);
} else {
alloc_chrdev_region(&xxx_dev_no, 0, 1, DEV_NAME);
}
ret = cdev_add(&xxx_dev.cdev, xxx_dev_no, 1); /* 註冊設備 */
...
}
/* 設備驅動模塊卸載函數 */
static void __exit xxx_exit(void)
{
unregister_chrdev_region(xxx_dev_no, 1); /* 釋放佔用的設備號 */
cdev_del(&xxx_dev.cdev); /* 註銷設備 */
...
}file_operations 結構體中成員函數是字符設備驅動與內核的接口，是用戶空間對 Linux 進行系統調用最終的落實者。大多數字符設備驅動會實現 read()、write() 和 ioctl() 函數，常見的字符設備驅動這3個函數的形式如代碼清單6.6。
代碼清單6.6 字符設備驅動讀、寫、IO控制函數模板
/* 讀設備 */
ssize_t xxx_read(struct file *filp, char__user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {
...
copy_to_user(buf, ..., ...);
...
}
/* 寫設備 */
ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char__user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {
...
copy_from_user(..., buf, ...);
...
}
/* ioctl函數 */
int xxx_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
...
switch(cmd) {
case XXX_CMD1:
...
break;
caseXXX_CMD2:
...
break;
default:
/* 不能支持的命令 */
return - ENOTTY;
}
return0;
}由於內核空間與用戶空間的內存不能直接互訪，因此藉助了函數 copy_from_user() 完成用戶空間到內核空間的拷貝，以及 copy_to_user() 完成內核空間到用戶空間的拷貝，見代碼第6行和第14行。
完成內核空間和用戶空間內存拷貝的 copy_from_user() 和 copy_to_user() 的原型分別爲：
unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count);
unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long count);如果要複製的內存是簡單類型，如 char、int、long 等，則可以使用簡單的 put_user() 和 get_user() ，如：
intval; /* 內核空間整型變量 */
...
get_user(val, (int *)arg); /* 用戶->內核，arg 是用戶空間的地址 */
...
put_user(val, (int *)arg); /* 內核->用戶，arg是用戶空間的地址 */#ifdef __CHECKER__
#define __user __attribute__((noderef, address_space(1)))
#else
#define __user
#endif在字符設備驅動中，需要定義一個 file_operations 的實例，並將具體設備驅動的函數賦值給 file_operations 的成員，如代碼清單6.7。
代碼清單6.7 字符設備驅動文件操作結構體模板
struct file_operations xxx_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.read = xxx_read,
.write = xxx_write,
.ioctl = xxx_ioctl,
...
};圖6.1描述了字符設備驅動的結構，字符設備驅動與字符設備以及字符設備驅動與用戶空間訪問該設備的程序之間的關係。
6.2 globalmem 虛擬設備實例描述
從本章開始，後續的數章都將基於虛擬的 globalmem 設備進行字符設備驅動的講解。globalmem 意味着“全局內存”，在 globalmem 字符設備驅動中會分配一片大小爲 GLOBALMEM_SIZE（4KB）的內存空間，並在驅動中提供針對該片內存的讀寫、控制和定位函數，以供用戶空間的進程能通過 Linux 系統調用訪問這片內存。實際上，這個虛擬的 globalmem 設備幾乎沒有任何實用價值，僅僅是一種爲了講解問題的方便而憑空製造的設備。當然，它也並非百無一用，由於 globalmem 可被2個或2個以上的進程同時訪問，其中的全局內存可作爲用戶空間進程進行通信的一種蹩腳的手段。
本章下面的一節將給出 globalmem 設備驅動的雛形，而後續章節會在這個雛形的基礎上初步添加併發與同步控制等複雜功能。
6.3 globalmem設備驅動
6.3.1頭文件、宏及設備結構體
在 globalmem 字符設備驅動中，應包含它要使用的頭文件，並定義 globalmem 設備結構體及相關宏。代碼清單6.8 globalmem 設備結構體和宏
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>
#define GLOBALMEM_SIZE 0x1000 /* 全局內存大小：4K字節 */
#define MEM_CLEAR 0x1 /* 清0全局內存 */
#define GLOBALMEM_MAJOR 250 /* 預設的 globalmem 的主設備號 */
static int globalmem_major = GLOBALMEM_MAJOR;
/* globalmem 設備結構體 */
struct globalmem_dev {
struct cdev cdev; /* cdev 結構體 */
unsigned char mem[GLOBALMEM_SIZE]; /* 全局內存 */
};
struct globalmem_dev dev; /* 設備結構體實例 */6.3.2加載與卸載設備驅動
globalmem 設備驅動的模塊加載和卸載函數遵循代碼清單6.5的類似模板，其實現的工作與代碼清單6.5完全一致，如代碼清單6.9。代碼清單6.9 globalmem 設備驅動模塊加載與卸載函數
/* globalmem 設備驅動模塊加載函數 */
int globalmem_init(void)
{
int result;
dev_t devno = MKDEV(globalmem_major, 0);
/* 申請字符設備驅動區域 */
if (globalmem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 1,"globalmem");
else {
/* 動態獲得主設備號 */
result = alloc_chrdev_region(&devno,0, 1, "globalmem");
globalmem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0)
return result;
globalmem_setup_cdev();
return 0;
}
/* globalmem 設備驅動模塊卸載函數 */
void globalmem_exit(void)
{
cdev_del(&dev.cdev); /* 刪除 cdev 結構 */
unregister_chrdev_region(MKDEV(globalmem_major, 0), 1); /* 註銷設備區域 */
}代碼清單6.10 初始化並添加 cdev 結構體
/*初始化並添加 cdev 結構體*/
static void globalmem_setup_cdev(void) {
int err, devno = MKDEV(globalmem_major, 0);
cdev_init(&dev.cdev, &globalmem_fops);
dev.cdev.owner = THIS_MODULE;
err = cdev_add(&dev.cdev, devno, 1);
if (err)
printk(KERN_NOTICE "Error %d addingglobalmem", err);
}代碼清單6.11 globalmem 設備驅動文件操作結構體
static const struct file_operations globalmem_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = globalmem_llseek,
.read = globalmem_read,
.write = globalmem_write,
.ioctl = globalmem_ioctl,
};6.3.3讀寫函數
globalmem 設備驅動的讀寫函數主要是讓設備結構體的 mem[] 數組與用戶空間交互數據，並隨着訪問的字節數變更返回給用戶的文件讀寫偏移位置。讀和寫函數的實現分別如代碼清單6.12和6.13。代碼清單6.12 globalmem 設備驅動讀函數
static ssize_t globalmem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
int ret = 0;
/* 分析和獲取有效的讀長度 */
if (p >= GLOBALMEM_SIZE) /* 要讀的偏移位置越界 */
return 0;
if (count > GLOBALMEM_SIZE - p) /* 要讀的字節數太大 */
count = GLOBALMEM_SIZE - p;
/* 內核空間->用戶空間 */
if (copy_to_user(buf, (void *)(dev.mem + p), count))
ret = - EFAULT;
else {
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "read %d bytes(s)from %d\n", count, p);
}
return ret;
}static ssize_t globalmem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
int ret = 0;
/* 分析和獲取有效的寫長度 */
if (p >= GLOBALMEM_SIZE) /* 要寫的偏移位置越界 */
return 0;
if (count > GLOBALMEM_SIZE - p) /* 要寫的字節數太多
count = GLOBALMEM_SIZE - p;
/*用戶空間->內核空間*/
if (copy_from_user(dev.mem + p, buf, count))
ret = - EFAULT;
else {
*ppos += count;
ret= count;
printk(KERN_INFO "written %d bytes(s)from %d\n", count, p);
}
return ret;
}6.3.4 seek 函數
seek() 函數對文件定位的起始地址可以是文件開頭(SEEK_SET, 0)、當前位置 (SEEK_CUR, 1) 和文件尾 (SEEK_END, 2) ，globalmem 支持從文件開頭和當前位置相對偏移。在定位的時候，應該檢查用戶請求的合法性，若不合法，函數返回 - EINVAL，合法時返回文件的當前位置，如代碼清單6.14。
代碼清單6.14 globalmem 設備驅動 seek() 函數
static loff_t globalmem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int orig) {
loff_t ret;
switch (orig) {
case 0: /* 從文件開頭開始偏移 */
if (offset < 0) {
ret = - EINVAL;
break;
}
if ((unsigned int)offset > GLOBALMEM_SIZE) {
ret = - EINVAL;
break;
}
filp->f_pos = (unsigned int)offset;
ret = filp->f_pos;
break;
case 1: /* 從當前位置開始偏移 */
if ((filp->f_pos + offset) > GLOBALMEM_SIZE) {
ret = - EINVAL;
break;
}
if ((filp->f_pos + offset) < 0) {
ret = - EINVAL;
break;
}
filp->f_pos += offset;
ret = filp->f_pos;
break;
default:
ret = - EINVAL;
}
return ret;
}6.3.5 ioctl 函數
1、globalmem 的 ioctl() 函數globalmem 的 ioctl() 函數接受 MEM_CLEAR 命令，這個命令會將全局內存的有效數據長度清0，對於設備不支持的命令，ioctl()函數應該返回- EINVAL，如代碼清單6.15。
代碼清單6.15 globalmem 設備驅動 IO 控制函數
static int globalmem_ioctl(struct inode *inodep, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
switch (cmd) {
case MEM_CLEAR:
/* 清除全局內存 */
memset(dev->mem, 0, GLOBALMEM_SIZE);
printk(KERN_INFO "globalmem is set tozero\n");
break;
default:
return - EINVAL; /* 其他不支持的命令 */
}
return 0;
}2、ioctl() 命令
Linux 建議以如圖6.2所示的方式定義 ioctl() 的命令。
圖6.2 IO控制命令的組成
| 設備類型 | 序列號 | 方向 | 數據尺寸 |
| 8 bit | 8 bit | 2 bit | 13/14 bit |
命令碼的序列號也是8位寬。
命令碼的方向字段爲2位，該字段表示數據傳送的方向，可能的值是_IOC_NONE（無數據傳輸）、 _IOC_READ（讀）、_IOC_WRITE（寫）和_IOC_READ|_IOC_WRITE（雙向）。數據傳送的方向是從應用程序的角度來看的。
命令碼的數據長度字段表示涉及到的用戶數據的大小，這個成員的寬度依賴於體系結構，通常是13 或者14 位。
內核還定義了_IO()、_IOR()、_IOW()和_IOWR()這4個宏來輔助生成命令，這4個宏的通用定義如代碼清單6.16。
代碼清單6.16 _IO()、_IOR()、_IOW()和_IOWR()宏定義
#define _IO(type, nr) _IOC(_IOC_NONE, (type), (nr), 0)
#define _IOR(type, nr, size) _IOC(_IOC_READ, (type), (nr), (_IOC_TYPECHECK(size)))
#define _IOW(type, nr, size) _IOC(_IOC_WRITE, (type), (nr), (_IOC_TYPECHECK(size)))
#define _IOWR(type, nr, size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE, (type), (nr), (_IOC_TYPECHECK(size)))
/* _IO、_IOR等使用的_IOC宏 */
#define _IOC(dir,type,nr,size) (((dir) << _IOC_DIRSHIFT) | ((type) << _IOC_TYPESHIFT) | ((nr) << _IOC_NRSHIFT) | ((size) << _IOC_SIZESHIFT))由於 globalmem 的 MEM_CLEAR 命令不涉及數據傳輸，因此它可以定義爲：
#define GLOBALMEM_MAGIC ...
#define MEM_CLEAR _IO(GLOBALMEM_MAGIC, 0)內核中預定義了一些 IO 控制命令，如果某設備驅動中包含了與預定義命令一樣的命令碼，這些命令會被當作預定義命令被內核處理而不是被設備驅動處理，預定義命令包括：
FIOCLEX : 即 File IOctl Close on Exec，對文件設置專用標誌，通知內核當 exec() 系統調用發生時自動關閉打開的文件。
FIONCLEX : 即 File IOctl Not CLose on Exec，與 FIOCLEX 標誌相反，清除由 FIOCLEX 命令設置的標誌。
FIOQSIZE : 獲得一個文件或者目錄的大小，當用於設備文件時，返回一個 ENOTTY 錯誤。
FIONBIO : 即 File IOctl Non-Blocking I/O，這個調用修改在 filp->f_flags 中的 O_NONBLOCK 標誌。
FIOCLEX、FIONCLEX、FIOQSIZE 和 FIONBIO 這些宏的定義爲：
#define FIONCLEX 0x5450
#define FIOCLEX 0x5451
#define FIOQSIZE 0x5460
#define FIONBIO 0x54216.3.6 使用文件私有數據
6.3.1~6.3.5節給出的代碼完整地實現了預期的 globalmem 雛形，在其代碼中，爲 globalmem 設備結構體 globalmem_dev 定義了全局實例 dev（見代碼清單6.7第25行），而 globalmem 的驅動中 read()、write()、ioctl()、llseek() 函數都針對dev進行操作。實際上，大多數 Linux 驅動工程師遵循一個“潛規則”，那就是將文件的私有數據 private_data 指向設備結構體，在 read()、write()、ioctl()、llseek() 等函數通過 private_data 訪問設備結構體。
這個時候，我們要將各函數進行少量的修改，爲了讓讀者朋友建立字符設備驅動的全貌視圖，代碼清單6.17列出了完整的使用文件私有數據的 globalmem 的設備驅動，本程序位於虛擬機/home/lihacker/develop/svn/ldd6410-read-only/training/kernel/drivers/globalmem/ch6目錄。
代碼清單6.17 使用文件私有數據的 globalmem 的設備驅動
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>
#define GLOBALMEM_SIZE 0x1000 /* 全局內存最大4K字節 */
#define MEM_CLEAR 0x1 /* 清0全局內存 */
#define GLOBALMEM_MAJOR 250 /* 預設的globalmem的主設備號 */
static int globalmem_major = GLOBALMEM_MAJOR;
/*globalmem設備結構體*/
struct globalmem_dev {
structcdev cdev; /* cdev 結構體 */
unsignedchar mem[GLOBALMEM_SIZE]; /* 全局內存 */
};
struct globalmem_dev *globalmem_devp; /*設備結構體指針*/
/*文件打開函數*/
int globalmem_open(struct inode *inode, struct file *filp) {
/*將設備結構體指針賦值給文件私有數據指針*/
filp->private_data =globalmem_devp;
return0;
}
/*文件釋放函數*/
int globalmem_release(struct inode *inode, structfile *filp)
{
return0;
}
/* ioctl設備控制函數 */
static int globalmem_ioctl(struct inode *inodep, struct file *filp, unsigned intcmd, unsigned long arg) {
struct globalmem_dev *dev = filp->private_data; /* 獲得設備結構體指針 */
switch(cmd) {
caseMEM_CLEAR:
memset(dev->mem,0, GLOBALMEM_SIZE);
printk(KERN_INFO"globalmem is set to zero\n");
break;
default:
return - EINVAL;
}
return0;
}
/* 讀函數 */
static ssize_t globalmem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos) {
unsignedlong p = *ppos;
unsignedint count = size;
intret = 0;
struct globalmem_dev *dev = filp->private_data; /* 獲得設備結構體指針 */
/*分析和獲取有效的寫長度*/
if (p >= GLOBALMEM_SIZE)
return0;
if (count > GLOBALMEM_SIZE - p)
count= GLOBALMEM_SIZE - p;
/*內核空間->用戶空間*/
if (copy_to_user(buf, (void *)(dev->mem + p), count)) {
ret= - EFAULT;
} else {
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO"read %u bytes(s) from %lu\n", count, p);
}
return ret;
}
/* 寫函數 */
static ssize_t globalmem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_tsize, loff_t *ppos) {
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct globalmem_dev *dev = filp->private_data; /* 獲得設備結構體指針 */
/*分析和獲取有效的寫長度*/
if (p >= GLOBALMEM_SIZE)
return 0;
if (count > GLOBALMEM_SIZE - p)
count= GLOBALMEM_SIZE - p;
/* 用戶空間->內核空間 */
if (copy_from_user(dev->mem +p, buf, count))
ret = - EFAULT;
else {
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "written %u bytes(s) from %lu\n", count, p);
}
return ret;
}
/* seek 文件定位函數 */
static loff_t globalmem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int orig) {
loff_t ret = 0;
switch (orig) {
case 0: /*相對文件開始位置偏移*/
if (offset < 0) {
ret= - EINVAL;
break;
}
if ((unsigned int)offset > GLOBALMEM_SIZE) {
ret= - EINVAL;
break;
}
filp->f_pos =(unsigned int)offset;
ret = filp->f_pos;
break;
case 1: /*相對文件當前位置偏移*/
if ((filp->f_pos+ offset) > GLOBALMEM_SIZE) {
ret= - EINVAL;
break;
}
if ((filp->f_pos+ offset) < 0) {
ret= - EINVAL;
break;
}
filp->f_pos += offset;
ret = filp->f_pos;
break;
default:
ret = - EINVAL;
break;
}
return ret;
}
/* 文件操作結構體 */
static const struct file_operations globalmem_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = globalmem_llseek,
.read = globalmem_read,
.write = globalmem_write,
.ioctl = globalmem_ioctl,
.open = globalmem_open,
.release = globalmem_release,
};
/* 初始化並註冊 cdev */
static void globalmem_setup_cdev(struct globalmem_dev *dev, int index) {
int err, devno = MKDEV(globalmem_major, index);
cdev_init(&dev->cdev,&globalmem_fops);
dev->cdev.owner =THIS_MODULE;
err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
if (err)
printk(KERN_NOTICE"Error %d adding globalmem %d", err, index);
}
/* 設備驅動模塊加載函數 */
int globalmem_init(void) {
int result;
dev_t devno = MKDEV(globalmem_major, 0);
/* 申請設備號 */
if (globalmem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 1, "globalmem");
else {
/* 動態申請設備號 */
result =alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "globalmem");
globalmem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0)
return result;
/* 動態申請設備結構體的內存 */
globalmem_devp = kmalloc(sizeof(struct globalmem_dev), GFP_KERNEL);
/* 申請失敗 */
if (!globalmem_devp) {
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(globalmem_devp, 0,sizeof(struct globalmem_dev));
globalmem_setup_cdev(globalmem_devp,0);
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno,1);
return result;
}
/* 模塊卸載函數 */
void globalmem_exit(void) {
cdev_del(&globalmem_devp->cdev); /* 註銷 cdev */
kfree(globalmem_devp); /* 釋放設備結構體內存 */
unregister_chrdev_region(MKDEV(globalmem_major,0), 1); /* 釋放設備號 */
}
MODULE_AUTHOR("Barry Song <[email protected]>");
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
module_param(globalmem_major, int, S_IRUGO);
module_init(globalmem_init);
module_exit(globalmem_exit); 讀者朋友們，這個時候，請您翻回到本書的第1章，再次閱讀代碼清單1.4，即 Linux下LED 的設備驅動，是否豁然開朗？
代碼清單6.17僅僅作爲使用 private_data 的範例，實際上，在這個程序中使用 private_data 沒有任何意義，直接訪問全局變量 globalmem_devp 來的更加結構清晰。如果 globalmem 不只包括1個設備，而是同時包括2個或2個以上的設備，採用private_data的優勢就會集中顯現出來。
在不對代碼清單6.17中的 globalmem_read()、globalmem_write()、globalmem_ioctl()等重要函數及 globalmem_fops 結構體等數據結構進行任何修改的前提下，只是簡單的修改 globalmem_init()、globalmem_exit()和globalmem_open()，就可以輕鬆地讓globalmem驅動中包含2個同樣的設備（次設備號分別爲0和1），如代碼清單6.18。
代碼清單6.18 支持2個 globalmem 設備的 globalmem 驅動
/* 文件打開函數 */
int globalmem_open(struct inode *inode, struct file *filp) {
/* 將設備結構體指針賦值給文件私有數據指針 */
struct globalmem_dev *dev;
dev = container_of(inode->i_cdev, structglobalmem_dev, cdev);
filp->private_data = dev;
return 0;
}
/* 設備驅動模塊加載函數 */
int globalmem_init(void) {
int result;
dev_t devno = MKDEV(globalmem_major, 0);
/* 申請設備號 */
if (globalmem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 2, "globalmem");
else {
/* 動態申請設備號 */
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "globalmem");
globalmem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0)
return result;
/* 動態申請2個設備結構體的內存 */
globalmem_devp = kmalloc(2*sizeof(structglobalmem_dev), GFP_KERNEL);
if (!globalmem_devp) {
/*申請失敗*/
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(globalmem_devp, 0, 2*sizeof(structglobalmem_dev));
globalmem_setup_cdev(&globalmem_devp[0], 0);
globalmem_setup_cdev(&globalmem_devp[1], 1);
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, 1);
return result;
}
/* 模塊卸載函數 */
void globalmem_exit(void) {
cdev_del(&(globalmem_devp[0].cdev));
cdev_del(&(globalmem_devp[1].cdev)); /* 註銷cdev */
kfree(globalmem_devp); /* 釋放設備結構體內存 */
unregister_chrdev_region(MKDEV(globalmem_major, 0), 2); /* 釋放設備號 */
}
/* 其它代碼同清單6.16 */ 6.4 globalmem 驅動在用戶空間的驗證
在對應目錄通過 make 命令編譯 globalmem 的驅動，得到 globalmem.ko 文件。運行：$sudo su
#insmod globalmem.ko#cat /proc/devices
Characterdevices:
1 mem
4 /dev/vc/0
4 tty
4 ttyS
5 /dev/tty
5 /dev/console
5 /dev/ptmx
6 lp
7 vcs
10 misc
13 input
14 sound
21 sg
29 fb
99 ppdev
108ppp
116alsa
128ptm
136pts
180usb
188ttyUSB
189usb_device
216rfcomm
226drm
250globalmem#mknod /dev/globalmem c 250 0#echo "hello world" > /dev/globalmem
#cat /dev/globalmem
helloword|--refcnt
`--sections
|--.bss
|-- .data
|-- .gnu.linkonce.this_module
|-- .rodata
|-- .rodata.str1.1
|-- .strtab
|-- .symtab
|-- .text
`-- __versions對於代碼清單6.18給出的支持2個 globalmem 設備的驅動，在加載模塊後需創建2個設備節點，/dev/globalmem0 對應主設備號 globalmem_major，次設備號0，/dev/globalmem1 對應主設備號 globalmem_major，次設備號1。分別讀寫/dev/globalmem0和/dev/globalmem1，發現都讀寫到了正確的對應的設備。