嵌入式字 符設備驅動程序demo

一、主設備號和次設備號
主設備號表示設備對應的驅動程序；次設備號由內核使用，用於正確確定設備文件所指的設備。
內核用dev_t類型（）來保存設備編號，dev_t是一個32位的數，12位表示主設備號，20爲表示次設備號。
在實際使用中，是通過中定義的宏來轉換格式。

(dev_t)-->主設備號、次設備號	MAJOR(dev_t dev) MINOR(dev_t dev)
主設備號、次設備號-->(dev_t)	MKDEV(int major,int minor)

建立一個字符設備之前，驅動程序首先要做的事情就是獲得設備編號。其這主要函數在中聲明：

int register_chrdev_region(dev_t first,unsigned
int count,
char *name); //指定設備編號

int alloc_chrdev_region(dev_t*dev,
unsigned int firstminor,
unsigned int
count, char*name); //動態生成設備編號

void unregister_chrdev_region(dev_t first,unsigned
int count); //釋放設備編號

分配之設備號的最佳方式是：默認採用動態分配，同時保留在加載甚至是編譯時指定主設備號的餘地。

以下是在scull.c中用來獲取主設備好的代碼：

 

if(scull_major)
{
dev = MKDEV(scull_major, scull_minor);
result = register_chrdev_region(dev, scull_nr_devs,"scull");
} else
{
result = alloc_chrdev_region(&dev, scull_minor, scull_nr_devs,"scull");
scull_major = MAJOR(dev);
}
if (result < 0) {
printk(KERN_WARNING "scull: can't get major %dn", scull_major);
return result;
}
 

 

在這部分中，比較重要的是在用函數獲取設備編號後，其中的參數name是和該編號範圍關聯的設備名稱，它將出現在/proc/devices和sysfs中。

看到這裏，就可以理解爲什麼mdev和udev可以動態、自動地生成當前系統需要的設備文件。udev就是通過讀取sysfs下的信息來識別硬件設備的.
(請看《理解和認識udev》
URL：http://blog.chinaunix.net/u/6541/showart_396425.html)

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二、一些重要的數據結構
大部分基本的驅動程序操作涉及及到三個重要的內核數據結構，分別是file_operations、file和inode，它們的定義都在。
 

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三、字符設備的註冊

內核內部使用struct cdev結構來表示字符設備。在內核調用設備的操作之前，必須分配並註冊一個或多個struct
cdev。代碼應包含，它定義了struct
cdev以及與其相關的一些輔助函數。

註冊一個獨立的cdev設備的基本過程如下：

1、爲struct cdev 分配空間(如果已經將struct cdev 嵌入到自己的設備的特定結構體中，並分配了空間，這步略過！)

struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();

2、初始化struct cdev

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)

3、初始化cdev.owner

cdev.owner = THIS_MODULE;

4、cdev設置完成，通知內核struct cdev的信息（在執行這步之前必須確定你對struct cdev的以上設置已經完成！）

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

從系統中移除一個字符設備：void cdev_del(struct cdev *p)

以下是scull中的初始化代碼（之前已經爲struct
scull_dev 分配了空間）：

 

static void scull_setup_cdev(struct scull_dev*dev,
int index)
{
int err, devno
= MKDEV(scull_major, scull_minor+ index);

cdev_init(&dev->cdev,&scull_fops);
dev->cdev.owner= THIS_MODULE;
dev->cdev.ops=
&scull_fops;//這句可以省略，在cdev_init中已經做過
err = cdev_add(&dev->cdev, devno,
1);

if (err)
printk(KERN_NOTICE "Error %d adding scull%d", err, index);
}

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四、scull模型的內存使用

以下是scull模型的結構體：

 

struct scull_qset {
void **data;
struct scull_qset *next;
};

struct scull_dev {
struct scull_qset *data;
int quantum;
int qset;
unsigned long size;
unsigned int access_key;
struct semaphore sem;
struct cdev cdev;
};

 

scull驅動程序引入了兩個Linux內核中用於內存管理的核心函數，它們的定義都在:

 

void*kmalloc(size_t
size,int flags);
void kfree(void*ptr);

 

以下是scull模塊中的一個釋放整個數據區的函數（類似清零），將在scull以寫方式打開和scull_cleanup_module中被調用：

 

int scull_trim(struct scull_dev*dev)
{
struct scull_qset *next,*dptr;
int qset = dev->qset;
int i;
for (dptr
= dev->data; dptr; dptr= next)
{
if (dptr->data){
for (i
= 0; i <</SPAN> qset; i++)
kfree(dptr->data[i]);

kfree(dptr->data);
dptr->data=
NULL;
}
next = dptr->next;
kfree(dptr);
}
dev->size
= 0;
dev->quantum= scull_quantum;
dev->qset= scull_qset;
dev->data=
NULL;
return 0;
}

 

以下是scull模塊中的一個沿鏈表前行得到正確scull_set指針的函數，將在read和write方法中被調用：

 

struct scull_qset *scull_follow(struct scull_dev*dev,
int n)
{
struct scull_qset *qs= dev->data;

if (! qs){
qs = dev->data= kmalloc(sizeof(struct
scull_qset), GFP_KERNEL);
if (qs
== NULL)
return NULL;
memset(qs, 0,sizeof(struct
scull_qset));
}

while (n--){
if (!qs->next){
qs->next
= kmalloc(sizeof(struct scull_qset), GFP_KERNEL);
if (qs->next==
NULL)
return NULL;
memset(qs->next, 0,sizeof(struct
scull_qset));
}
qs = qs->next;
continue;
}
return qs;
}

 

其實這個函數的實質是：如果已經存在這個scull_set，就返回這個scull_set的指針。如果不存在這個scull_set，一邊沿鏈表爲scull_set分配空間一邊沿鏈表前行，直到所需要的scull_set被分配到空間並初始化爲止，就返回這個scull_set的指針。

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五、open和release

open方法提供給驅動程序以初始化的能力，爲以後的操作作準備。應完成的工作如下：

(1)檢查設備特定的錯誤（如設備未就緒或硬件問題）；

(2)如果設備是首次打開，則對其進行初始化；

(3)如有必要，更新f_op指針；

(4)分配並填寫置於filp->private_data裏的數據結構。

而根據scull的實際情況，他的open函數只要完成第四步（將初始化過的struct scull_dev dev的指針傳遞到filp->private_data裏，以備後用）就好了，所以open函數很簡單。但是其中用到了定義在中的container_of宏，源碼如下：

 

#define container_of(ptr, type,
member) ({
const typeof(((type
*)0)->member)
*__mptr =
(ptr);
(type *)((char
*)__mptr
-offsetof(type,member));})

 

其實從源碼可以看出，其作用就是：通過指針ptr，獲得包含ptr所指向數據（是member結構體）的type結構體的指針。即是用指針得到另外一個指針。

release方法提供釋放內存，關閉設備的功能。應完成的工作如下：

（1）釋放由open分配的、保存在file->private_data中的所有內容；

（2）在最後一次關閉操作時關閉設備。

由於前面定義了scull是一個全局且持久的內存區，所以他的release什麼都不做。

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六、read和write

read和write方法的主要作用就是實現內核與用戶空間之間的數據拷貝。因爲Linux的內核空間和用戶空間隔離的，所以要實現數據拷貝就必須使用在中定義的：

 

unsignedlong copy_to_user(void __user*to,
const void
*from,
unsigned long
count);
unsigned long copy_from_user(void*to,
const void __user*from,
unsigned long
count);

而值得一提的是以上兩個函數和

#define __copy_from_user(to,from,n)(memcpy(to,(void
__force *)from, n), 0)
#define __copy_to_user(to,from,n)(memcpy((void
__force*)to, from, n), 0)

 

之間的關係：通過源碼可知，前者調用後者，但前者在調用前對用戶空間指針進行了檢查。

至於read和write 的具體函數比較簡單，就在實驗中驗證好了。

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七、模塊實驗

 

這次模塊實驗的使用是友善之臂SBC2440V4，使用Linux2.6.22.2內核。

模塊程序鏈接：scull模塊源程序
模塊測試程序鏈接：模塊測試程序

測試結果：

 

量子大小爲6：

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/ [Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.koscull_quantum=6

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat /proc/devices
Character devices:
1 mem
2 pty
3 ttyp
4 /dev/vc/0
4 tty
4 ttyS
5 /dev/tty
5 /dev/console
5 /dev/ptmx
7 vcs
10 misc
13 input
14 sound
81 video4linux
89 i2c
90 mtd
116 alsa
128 ptm
136 pts
180 usb
189 usb_device
204 s3c2410_serial
252 scull
253 usb_endpoint
254 rtc

Block devices:
1 ramdisk
256 rfd
7 loop
31 mtdblock
93 nftl
96 inftl
179 mmc
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull0 c 252 0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull1 c 252 1
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull2 c 252 2
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 scull3 c 252 3

 

 

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啓動測試程序

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test

write error! code=6

write error! code=6

write error! code=6

write ok! code=2

read error! code=6

read error! code=6

read error! code=6

read ok! code=2

[0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4

[5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9

[10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14

[15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19

 

---

改變量子大小爲默認值4000：
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko

 

---

啓動測試程序
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test
write ok! code=20
read ok! code=20
[0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4
[5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9
[10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14
[15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19

 

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#

---

改變量子大小爲6，量子集大小爲2：
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko 
scull_quantum=6 scull_qset=2

 

---

啓動測試程序
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test
write error! code=6
write error! code=6
write error! code=6
write ok! code=2
read error! code=6
read error! code=6
read error! code=6
read ok! code=2
[0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4
[5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9
[10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14
[15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19

 

 

實驗不僅測試了模塊的讀寫能力，還測試了量子讀寫是否有效