嵌入式字 符设备驱动程序demo

一、主设备号和次设备号
主设备号表示设备对应的驱动程序；次设备号由内核使用，用于正确确定设备文件所指的设备。
内核用dev_t类型（）来保存设备编号，dev_t是一个32位的数，12位表示主设备号，20为表示次设备号。
在实际使用中，是通过中定义的宏来转换格式。

(dev_t)-->主设备号、次设备号	MAJOR(dev_t dev) MINOR(dev_t dev)
主设备号、次设备号-->(dev_t)	MKDEV(int major,int minor)

建立一个字符设备之前，驱动程序首先要做的事情就是获得设备编号。其这主要函数在中声明：

int register_chrdev_region(dev_t first,unsigned
int count,
char *name); //指定设备编号

int alloc_chrdev_region(dev_t*dev,
unsigned int firstminor,
unsigned int
count, char*name); //动态生成设备编号

void unregister_chrdev_region(dev_t first,unsigned
int count); //释放设备编号

分配之设备号的最佳方式是：默认采用动态分配，同时保留在加载甚至是编译时指定主设备号的余地。

以下是在scull.c中用来获取主设备好的代码：

 

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;
}
 

 

在这部分中，比较重要的是在用函数获取设备编号后，其中的参数name是和该编号范围关联的设备名称，它将出现在/proc/devices和sysfs中。

看到这里，就可以理解为什么mdev和udev可以动态、自动地生成当前系统需要的设备文件。udev就是通过读取sysfs下的信息来识别硬件设备的.
(请看《理解和认识udev》
URL：http://blog.chinaunix.net/u/6541/showart_396425.html)

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二、一些重要的数据结构
大部分基本的驱动程序操作涉及及到三个重要的内核数据结构，分别是file_operations、file和inode，它们的定义都在。
 

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三、字符设备的注册

内核内部使用struct cdev结构来表示字符设备。在内核调用设备的操作之前，必须分配并注册一个或多个struct
cdev。代码应包含，它定义了struct
cdev以及与其相关的一些辅助函数。

注册一个独立的cdev设备的基本过程如下：

1、为struct cdev 分配空间(如果已经将struct cdev 嵌入到自己的设备的特定结构体中，并分配了空间，这步略过！)

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设置完成，通知内核struct cdev的信息（在执行这步之前必须确定你对struct cdev的以上设置已经完成！）

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

从系统中移除一个字符设备：void cdev_del(struct cdev *p)

以下是scull中的初始化代码（之前已经为struct
scull_dev 分配了空间）：

 

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;//这句可以省略，在cdev_init中已经做过
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模型的内存使用

以下是scull模型的结构体：

 

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驱动程序引入了两个Linux内核中用于内存管理的核心函数，它们的定义都在:

 

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

 

以下是scull模块中的一个释放整个数据区的函数（类似清零），将在scull以写方式打开和scull_cleanup_module中被调用：

 

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模块中的一个沿链表前行得到正确scull_set指针的函数，将在read和write方法中被调用：

 

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;
}

 

其实这个函数的实质是：如果已经存在这个scull_set，就返回这个scull_set的指针。如果不存在这个scull_set，一边沿链表为scull_set分配空间一边沿链表前行，直到所需要的scull_set被分配到空间并初始化为止，就返回这个scull_set的指针。

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五、open和release

open方法提供给驱动程序以初始化的能力，为以后的操作作准备。应完成的工作如下：

(1)检查设备特定的错误（如设备未就绪或硬件问题）；

(2)如果设备是首次打开，则对其进行初始化；

(3)如有必要，更新f_op指针；

(4)分配并填写置于filp->private_data里的数据结构。

而根据scull的实际情况，他的open函数只要完成第四步（将初始化过的struct scull_dev dev的指针传递到filp->private_data里，以备后用）就好了，所以open函数很简单。但是其中用到了定义在中的container_of宏，源码如下：

 

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

 

其实从源码可以看出，其作用就是：通过指针ptr，获得包含ptr所指向数据（是member结构体）的type结构体的指针。即是用指针得到另外一个指针。

release方法提供释放内存，关闭设备的功能。应完成的工作如下：

（1）释放由open分配的、保存在file->private_data中的所有内容；

（2）在最后一次关闭操作时关闭设备。

由于前面定义了scull是一个全局且持久的内存区，所以他的release什么都不做。

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六、read和write

read和write方法的主要作用就是实现内核与用户空间之间的数据拷贝。因为Linux的内核空间和用户空间隔离的，所以要实现数据拷贝就必须使用在中定义的：

 

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两个函数和

#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)

 

之间的关系：通过源码可知，前者调用后者，但前者在调用前对用户空间指针进行了检查。

至于read和write 的具体函数比较简单，就在实验中验证好了。

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七、模块实验

 

这次模块实验的使用是友善之臂SBC2440V4，使用Linux2.6.22.2内核。

模块程序链接：scull模块源程序
模块测试程序链接：模块测试程序

测试结果：

 

量子大小为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

 

 

---

启动测试程序

[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

 

---

改变量子大小为默认值4000：
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko

 

---

启动测试程序
[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]#

---

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

 

---

启动测试程序
[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

 

 

实验不仅测试了模块的读写能力，还测试了量子读写是否有效