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Linux设备驱动工程师之路——高级字符设备驱动程序

 
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Linux设备驱动工程师之路——高级字符设备驱动程序

K-Style

转载请注明来自于衡阳师范学院08电2 K-Style http://blog.csdn.net/ayangke,QQ:843308498 邮箱：yangkeemail@qq.com

高级字符设备驱动在简单字符驱动的基础上添加ioctl方法、阻塞非阻塞读写、poll方法、和自动创建设备文件的功能。

一、重要知识点

1.ioctl

ioctl命令：使用4个字段定义一个ioctl命令，包括

type: 幻数，一般使用一个字符定义，在内核中唯一。

number: 序数。

direction: 数据传输方向，当不涉及数据传输时，此字段无效。

size: 所涉及用户数据的大小，当不涉及数据传输时，此字段无效。

_IOC_NONE

_IOC_READ

_IOC_WRITE

“方向”字段的可能值。“读”和“写”是不同的位，可以用“OR”在一起指定读写。

_IOC(dir, type, size)

_IO(type,nr)

_IOR(type, nr, size)

_IOW(type, nr, size)

用于生产ioctl命令的宏

_IOC_DIR(cmd)

_IOC_TYPE(cmd)

_IOC_NR(cmd)

_IOC_SIZE(cmd)

用于解码ioctl命令的宏

intaccess_ok(int type, const void *addr, unsigned long size)

这个函数验证指向用户空间的指针是否可用，如果允许访问，access_ok返回非0值。

int put_user(datum, ptr)

int get_user(local, ptr)

int __put_user(datum, ptr)

int __get_user(local, ptr)

用于向（或从）用户空间保存（或获取）单个数据项的宏。传送的字节数目由sizeof(*ptr)决定。前两个要先调用access_ok,后两个（__put_user和__get_user）则假设access_ok已经被调用过了。

2.阻塞型I/O

typedef struct {/*…..*/} wait_queue_head_t

void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t*queue)

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(queue)

预先定义的Linux内核等待队列类型。wait_queue_head_t类型必须显示地初始化，初始化方法可以在运行时调用init_waitqueue_head,或在编译时DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD。

void wait_event((wait_queue_head_t q, intcondition)

int wait_event_interruptible(wait_queue_head_tq, int condition)

int wait_event_timeout(wait_queue_head_t q,int condition, int time)

int wait_event_interruptible_timeout(wait_queue_head_tq, int condition, int time)

使进程在指定的队列上休眠，直到给定的condition值为真。

void wake_up(struct wait_queue **q)

void wake_up_interruptible(structwait_queue **q)

这些函数唤醒休眠在队列q上的进程。_interruptible形式的函数只能唤醒可中断的进程。在实践中约定做法是在使用wait_event时用wake_up,而在使用wait_event_interruptible时使用wake_up_interruptible。

3.poll方法

poll方法分两步处理，第一步调用poll_wait指定等待队列，第二步返回是否可操作的掩码。

POLLIN表示设备可读的掩码，POLLRDORM表示数据可读的掩码。POLLOUT表示设备可写的掩码，POLLWRNORM表示数据可读的掩码。一般同时返回POLLIN和POLLRDORM或者POLLOUT和POLLWRNORM。

4.select系统调用

原型为intselect(int mafdp1, fd_set *restrict readfds, fd_set *restrict writefds, fd_set*restrict exceptfds, struct timeval *restrict tvptr)

返回值：就绪的描述符数，若超时则返回0，若出错则返回-1

void FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset)

void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset)

void FD_SET(int fd, fd_set *fdset)

void FD_ZERO(fd_set *fdset)

调用FD_ZERO将一个指定的fd_set变量的所有位设置为0。调用FD_SET设置一个fd_set变量指定位。调用FD_CLR则将一指定位清除。最后，调用FD_ISSET测试一指定位是否设置。

5.自动创建设备文件

struct class *class_create(struct module*owner, const char *name)

struct device *device_create(struct class*class, struct device *parent, dev_t devt, const char *fmt, ...)

通过这两个函数可以专门用来创建一个字符设备文件节点，class_create 第一个参数指定所有者，第二参数指定类得名字。class_device_create第一个参数指定第一个参数指定所要创建的设备所从属的类，第二个参数是这个设备的父设备，如果没有就指定为NULL，第三个参数是设备号，第四个参数是设备名称。

二、驱动代码

#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>
#include <linux/ioctl.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/device.h>
 
 
#define MEMDEV_MAJOR 251
#define MEMDEV_NUM 2
#define MEMDEV_SIZE 1024
 
//定义设备IOCTL命令
#define MEMDEV_IOC_MAGIC 'k'
#define MEMDEV_IOC_NR 2
 
#define MEMDEV_IOC_PRINT_IO(MEMDEV_IOC_MAGIC, 0)
#define MEMDEV_IOC_RD_IOR(MEMDEV_IOC_MAGIC, 1, int)
#define MEMDEV_IOC_WT_IOW(MEMDEV_IOC_MAGIC, 2, char)
 
struct mem_dev
{
         unsignedint size;
         char*data;
         structsemaphore sem;
         wait_queue_head_t  inque;
};
 
 
static int mem_major = MEMDEV_MAJOR;
 
struct cdev mem_cdev;
struct mem_dev *mem_devp;
bool havedata = false;
 
 
static int mem_open(struct inode *inode,struct file *filp)
{
         structmem_dev *dev;
         unsignedint num;
        
         printk("mem_open.\n");
        
         num= MINOR(inode->i_rdev);//获得次设备号
         if(num> (MEMDEV_NUM -1))          //检查次设备号有效性
                   return-ENODEV;
                  
         dev= &mem_devp[num];
         filp->private_data= dev; //将设备结构保存为私有数据
        
         return0;
}
 
static int mem_release(struct inode *inode,struct file *filp)
{
         printk("mem_release.\n");
         return0;
}
 
static ssize_t mem_read(struct file *filp,char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
         intret = 0;
         structmem_dev *dev;
         unsignedlong p;
         unsignedlong count;
        
         printk("mem_read.\n");
        
         dev= filp->private_data;//获得设备结构
         count= size;
         p= *ppos;
        
         //检查偏移量和数据大小的有效性
         if(p> MEMDEV_SIZE)
                   return0;
         if(count> (MEMDEV_SIZE-p))
                   count= MEMDEV_SIZE - p;
                  
         if(down_interruptible(&dev->sem))//锁定互斥信号量
                   return-ERESTARTSYS;
                  
         while(!havedata)
         {
                   up(&dev->sem);
                  
                   if(filp->f_flags& O_NONBLOCK)
                            return-EAGAIN;
                   printk("readyto go sleep");
                   if(wait_event_interruptible(dev->inque,havedata))//等待数据
                            return-ERESTARTSYS;
                           
                   if(down_interruptible(&dev->sem))
                            return-ERESTARTSYS;
         }
         //读取数据到用户空间
         if(copy_to_user(buf,dev->data+p, count)){
                   ret= -EFAULT;
                   printk("copyfrom user failed\n");
         }
         else{
                   *ppos+= count;
                   ret= count;
                   printk("read%ld bytes from dev\n", count);
                  
                   havedata= false;//数据已经读出
                  
         }
        
         up(&dev->sem);//解锁互斥信号量
        
         returnret;
}
 
static ssize_t mem_write(struct file *filp,const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)//注意：第二个参数和read方法不同
{
         intret = 0;
         structmem_dev *dev;
         unsignedlong p;
         unsignedlong count;
        
         printk("mem_write.\n");
        
         dev= filp->private_data;
         count= size;
         p= *ppos;
        
         if(p> MEMDEV_SIZE)
                   return0;
         if(count> (MEMDEV_SIZE-p))
                   count= MEMDEV_SIZE - p;
                  
         if(down_interruptible(&dev->sem))//锁定互斥信号量
                   return-ERESTARTSYS;
                  
         if(copy_from_user(dev->data+p,buf, count)){
                   ret= -EFAULT;
                   printk("copyfrom user failed\n");
         }
         else{
                   *ppos+= count;
                   ret= count;
                   printk("write%ld bytes to dev\n", count);
                  
                   havedata= true;
                   wake_up_interruptible(&dev->inque);//唤醒等待数据的队列
         }
        
         up(&dev->sem);//解锁互斥信号量
        
         returnret;
}
 
static loff_t mem_llseek(struct file *filp,loff_t offset, int whence)
{
         intnewpos;
        
         printk("mem_llseek.\n");
        
         switch(whence)
         {
                   case0://从文件头开始
                            newpos= offset;
                            break;
                  
                   case1://从文件当前位置开始
                            newpos= filp->f_pos + offset;
                            break;
                           
                   case2://从文件末尾开始
                            newpos= MEMDEV_SIZE - 1 + offset;
                            break;
                           
                   default:
                            return-EINVAL;
         }
        
         if((newpos<0)|| (newpos>(MEMDEV_SIZE - 1)))
                   return-EINVAL;
                  
         filp->f_pos= newpos;
         returnnewpos;
}
 
static int mem_ioctl(struct inode *inode,struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
         interr = 0, ret = 0;
         intioarg = 0;
         charrdarg = '0';
        
         //参数检查
        
         if(_IOC_TYPE(cmd)!= MEMDEV_IOC_MAGIC)//参数类型检查
                   return-ENOTTY;
                  
         if(_IOC_NR(cmd)> MEMDEV_IOC_NR)//参数命令号检查
                   return-ENOTTY;
                  
         //用户空间指针有效性检查
         if(_IOC_DIR(cmd)& _IOC_READ)
                   err= !access_ok(VERIFY_WRITE, (void __user *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
         elseif(_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE)
                   err= !access_ok(VERIFY_WRITE, (void __user *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
         if(err)
                   return-ENOTTY;
                  
         //根据命令执行操作
         switch(cmd)
         {
          case MEMDEV_IOC_PRINT:
                   printk("memdevioctl print excuting...\n");
                   break;
        
         caseMEMDEV_IOC_RD:
                   ioarg= 1024;
                   ret  = __put_user(ioarg, (int *)arg);//用户空间向内核空间获得数据
                   printk("memdevioctl read excuting... \n");
                   break;
                  
         caseMEMDEV_IOC_WT:
                   ret= __get_user(rdarg, (char *)arg);//用户空间向内核空间传输数据
                   printk("memdevioctl write excuting... arg:%c\n", rdarg);
                   break;
                  
         default:
                   return-ENOTTY;
                  
         }
                  
         returnret;
}
 
static unsigned int mem_poll(struct file*filp, poll_table *wait)
{
         structmem_dev *dev;
         unsignedint mask = 0;
        
         dev= filp->private_data;
        
         if(down_interruptible(&dev->sem))//锁定互斥信号量
                   return-ERESTARTSYS;
                 
         poll_wait(filp,&dev->inque, wait);
         if(havedata)
                   mask|= POLLIN | POLLRDNORM;//返回可读掩码
                  
         up(&dev->sem);//释放信号量
        
         returnmask;
}
 
static const struct file_operationsmem_fops = {
         .owner= THIS_MODULE,
         .open= mem_open,
         .write= mem_write,
         .read= mem_read,
         .release= mem_release,
         .llseek= mem_llseek,
         .ioctl= mem_ioctl,
         .poll= mem_poll,
};
 
static int __init memdev_init(void)
{
         intresult;
         interr;
         inti;
         structclass *memdev_class;
        
         //申请设备号
         dev_tdevno = MKDEV(mem_major, 0);
        
         if(mem_major)
                   result= register_chrdev_region(devno, MEMDEV_NUM, "memdev");//注意静态申请的dev_t参数和动态dev_t参数的区别
         else{                                                                                                                          //静态直接传变量，动态传变量指针
                   result= alloc_chrdev_region(&devno, 0, MEMDEV_NUM, "memdev");
                   mem_major= MAJOR(devno);
         }
        
         if(result< 0){
                   printk("can'tget major devno:%d\n", mem_major);
                   returnresult;
         }
        
         //注册设备驱动
         cdev_init(&mem_cdev,&mem_fops);
         mem_cdev.owner= THIS_MODULE;
        
         err= cdev_add(&mem_cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NUM);//如果有N个设备就要添加N个设备号
         if(err)
                  printk("add cdev faild,err is%d\n", err);
                  
         //分配设备内存
         mem_devp= kmalloc(MEMDEV_NUM*(sizeof(struct mem_dev)), GFP_KERNEL);
         if(!mem_devp){
                    result = - ENOMEM;
                    goto fail_malloc;
         }
         memset(mem_devp,0, MEMDEV_NUM*(sizeof(struct mem_dev)));
        
        
         for(i=0;i<MEMDEV_NUM; i++){
                   mem_devp[i].size= MEMDEV_SIZE;
                   mem_devp[i].data= kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
                   memset(mem_devp[i].data,0, MEMDEV_SIZE);
                  
                   init_MUTEX(&mem_devp[i].sem);//初始化互斥锁
                  
                   //初始化等待队列
                   init_waitqueue_head(&mem_devp[i].inque);
         }
        
         //自动创建设备文件
         memdev_class= class_create(THIS_MODULE, "memdev_driver");
         device_create(memdev_class,NULL, MKDEV(mem_major, 0), NULL, "memdev0");
        
         returnresult;
        
fail_malloc:
         unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major,0), MEMDEV_NUM);
         returnresult;
}
 
static void memdev_exit(void)
{
         cdev_del(&mem_cdev);
         unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major,0), MEMDEV_NUM);//注意释放的设备号个数一定要和申请的设备号个数保存一致
                                                                                                                         //否则会导致设备号资源流失
         printk("memdev_exit\n");
}
 
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
 
MODULE_AUTHOR("Y-Kee");
MODULE_LICENSE("GPL");


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