linux设备驱动程序入门(共27页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上目前，Linux软件工程师大致可分为两个层次： （1）Linux应用软件工程师（Application Software Engineer）：主要利用C库函数和Linux API进行应用软件的编写； （2）Linux固件工程师（Firmware Engineer）：主要进行Bootloader、Linux的移植及Linux设备驱动程序的设计。 一般而言，固件工程师的要求要高于应用软件工程师的层次，而其中的Linux设备驱动编程又是Linux程序设计中比较复杂的部分，究其原因，主要包括如下几个方面： （1）设备驱动属于Linux内核的部分，编写Linux设备驱动需要有一定的Linux操作系统内核基础； （2）编写Linux设备驱动需要对硬件的原理有相当的了解，大多数情况下我们是针对一个特定的嵌入式硬件平台编写驱动的； （3）Linux设备驱动中广泛涉及到多进程并发的同步、互斥等控制，容易出现bug； （4）由于属于内核的一部分，Linux设备驱动的调试也相当复杂。 目前，市面上的Linux设备驱动程序参考书籍非常稀缺，少有的经典是由Linux社区的三位领导者Jonathan Corbet、Alessandro Rubini、Greg Kroah-Hartman编写的Linux Device Drivers（目前该书已经出版到第3版，中文译本由中国电力出版社出版）。该书将Linux设备驱动编写技术进行了较系统的展现，但是该书所列举实例的背景过于复杂，使得读者需要将过多的精力投放于对例子背景的理解上，很难完全集中精力于Linux驱动程序本身。往往需要将此书翻来覆去地研读许多遍，才能有较深的体会。 本文将仍然秉承Linux Device Drivers一书以实例为主的风格，但是实例的背景将非常简单，以求使读者能将集中精力于Linux设备驱动本身，理解Linux内核模块、Linux设备驱动的结构、Linux设备驱动中的并发控制等内容。另外，与Linux Device Drivers所不同的是，针对设备驱动的实例，本文还给出了用户态的程序来访问该设备，展现设备驱动的运行情况及用户态和内核态的交互。相信阅读完本文将为您领悟Linux Device Drivers一书中的内容打下很好的基础。 本文中的例程除引用的以外皆由笔者亲自调试通过，主要基于的内核版本为Linux 2.4，例子要在其他内核上运行只需要做少量的修改。 构建本文例程运行平台的一个较好方法是：在Windows平台上安装VMWare虚拟机，并在VMWare虚拟机上安装Red Hat。注意安装的过程中应该选中"开发工具"和"内核开发"二项（如果本文的例程要在特定的嵌入式系统中运行，还应安装相应的交叉编译器，并包含相应的Linux源代码）。 - Linux设备驱动属于内核的一部分，Linux内核的一个模块可以以两种方式被编译和加载： （1）直接编译进Linux内核，随同Linux启动时加载； （2）编译成一个可加载和删除的模块，使用insmod加载（modprobe和insmod命令类似，但依赖于相关的配置文件），rmmod删除。这种方式控制了内核的大小，而模块一旦被插入内核，它就和内核其他部分一样。 下面我们给出一个内核模块的例子： #include /所有模块都需要的头文件 #include / init&exit相关宏 MODULE_LICENSE("GPL"); static int _init hello_init (void) printk("Hello module initn"); return 0; static void _exit hello_exit (void) printk("Hello module exitn"); module_init(hello_init); module_exit(hello_exit); 分析上述程序，发现一个Linux内核模块需包含模块初始化和模块卸载函数，前者在insmod的时候运行，后者在rmmod的时候运行。初始化与卸载函数必须在宏module_init和module_exit使用前定义，否则会出现编译错误。 程序中的MODULE_LICENSE("GPL")用于声明模块的许可证。 如果要把上述程序编译为一个运行时加载和删除的模块，则编译命令为： gcc -D_KERNEL_ -DMODULE -DLINUX -I /usr/local/src/linux2.4/include -c -o hello.o hello.c 由此可见，Linux内核模块的编译需要给gcc指示-D_KERNEL_ -DMODULE -DLINUX参数。-I选项跟着Linux内核源代码中Include目录的路径。 下列命令将可加载hello模块： insmod ./hello.o 下列命令完成相反过程： rmmod hello 如果要将其直接编译入Linux内核，则需要将源代码文件拷贝入Linux内核源代码的相应路径里，并修改Makefile。 我们有必要补充一下Linux内核编程的一些基本知识： 内存 在Linux内核模式下，我们不能使用用户态的malloc()和free()函数申请和释放内存。进行内核编程时，最常用的内存申请和释放函数为在include/linux/kernel.h文件中声明的kmalloc()和kfree()，其原型为： void *kmalloc(unsigned int len, int priority); void kfree(void *_ptr); kmalloc的priority参数通常设置为GFP_KERNEL，如果在中断服务程序里申请内存则要用GFP_ATOMIC参数，因为使用GFP_KERNEL参数可能会引起睡眠，不能用于非进程上下文中（在中断中是不允许睡眠的）。 由于内核态和用户态使用不同的内存定义，所以二者之间不能直接访问对方的内存。而应该使用Linux中的用户和内核态内存交互函数（这些函数在include/asm/uaccess.h中被声明）： unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long n); unsigned long copy_to_user (void * to, void * from, unsigned long len); copy_from_user、copy_to_user函数返回不能被复制的字节数，因此，如果完全复制成功，返回值为0。 include/asm/uaccess.h中定义的put_user和get_user用于内核空间和用户空间的单值交互（如char、int、long）。 这里给出的仅仅是关于内核中内存管理的皮毛，关于Linux内存管理的更多细节知识，我们会在本文第9节内存与I/O操作进行更加深入地介绍。 输出 在内核编程中，我们不能使用用户态C库函数中的printf()函数输出信息，而只能使用printk()。但是，内核中printk()函数的设计目的并不是为了和用户交流，它实际上是内核的一种日志机制，用来记录下日志信息或者给出警告提示。 每个printk都会有个优先级，内核一共有8个优先级，它们都有对应的宏定义。如果未指定优先级，内核会选择默认的优先级DEFAULT_MESSAGE_LOGLEVEL。如果优先级数字比int console_loglevel变量小的话，消息就会打印到控制台上。如果syslogd和klogd守护进程在运行的话，则不管是否向控制台输出，消息都会被追加进/var/log/messages文件。klogd 只处理内核消息，syslogd 处理其他系统消息，比如应用程序。 模块参数 2.4内核下，include/linux/module.h中定义的宏MODULE_PARM(var,type) 用于向模块传递命令行参数。var为接受参数值的变量名，type为采取如下格式的字符串min-maxb,h,i,l,s。min及max用于表示当参数为数组类型时，允许输入的数组元素的个数范围；b：byte；h：short；i：int；l：long；s：string。 在装载内核模块时，用户可以向模块传递一些参数： insmod modname var=value 如果用户未指定参数，var将使用模块内定义的缺省值。 Linux下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合，通过这些函数使得Windows的设备操作犹如文件一般。在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作，如open ()、close ()、read ()、write () 等。 Linux主要将设备分为二类：字符设备和块设备。字符设备是指设备发送和接收数据以字符的形式进行；而块设备则以整个数据缓冲区的形式进行。字符设备的驱动相对比较简单。 下面我们来假设一个非常简单的虚拟字符设备：这个设备中只有一个4个字节的全局变量int global_var，而这个设备的名字叫做"gobalvar"。对"gobalvar"设备的读写等操作即是对其中全局变量global_var的操作。 驱动程序是内核的一部分，因此我们需要给其添加模块初始化函数，该函数用来完成对所控设备的初始化工作，并调用register_chrdev() 函数注册字符设备： static int _init gobalvar_init(void) if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " gobalvar ", &gobalvar_fops) /注册失败 else /注册成功 其中，register_chrdev函数中的参数MAJOR_NUM为主设备号,"gobalvar"为设备名，gobalvar_fops为包含基本函数入口点的结构体，类型为file_operations。当gobalvar模块被加载时，gobalvar_init被执行，它将调用内核函数register_chrdev，把驱动程序的基本入口点指针存放在内核的字符设备地址表中，在用户进程对该设备执行系统调用时提供入口地址。 与模块初始化函数对应的就是模块卸载函数，需要调用register_chrdev()的"反函数" unregister_chrdev()： static void _exit gobalvar_exit(void) if (unregister_chrdev(MAJOR_NUM, " gobalvar ") /卸载失败 else /卸载成功 随着内核不断增加新的功能，file_operations结构体已逐渐变得越来越大，但是大多数的驱动程序只是利用了其中的一部分。对于字符设备来说，要提供的主要入口有：open ()、release ()、read ()、write ()、ioctl ()、llseek()、poll()等。 open()函数对设备特殊文件进行open()系统调用时，将调用驱动程序的open () 函数： int (*open)(struct inode * ,struct file *); 其中参数inode为设备特殊文件的inode (索引结点) 结构的指针，参数file是指向这一设备的文件结构的指针。open()的主要任务是确定硬件处在就绪状态、验证次设备号的合法性(次设备号可以用MINOR(inode-> i - rdev) 取得)、控制使用设备的进程数、根据执行情况返回状态码(0表示成功，负数表示存在错误) 等； release()函数当最后一个打开设备的用户进程执行close ()系统调用时，内核将调用驱动程序的release () 函数： void (*release) (struct inode * ,struct file *) ; release 函数的主要任务是清理未结束的输入/输出操作、释放资源、用户自定义排他标志的复位等。 read()函数当对设备特殊文件进行read() 系统调用时，将调用驱动程序read() 函数： ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); 用来从设备中读取数据。当该函数指针被赋为NULL 值时，将导致read 系统调用出错并返回-EINVAL（"Invalid argument，非法参数"）。函数返回非负值表示成功读取的字节数（返回值为"signed size"数据类型，通常就是目标平台上的固有整数类型）。 globalvar_read函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2节所介绍的函数： static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off) copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int); write( ) 函数当设备特殊文件进行write () 系统调用时，将调用驱动程序的write () 函数： ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); 向设备发送数据。如果没有这个函数，write 系统调用会向调用程序返回一个-EINVAL。如果返回值非负，则表示成功写入的字节数。 globalvar_write函数中内核空间与用户空间的内存交互需要借助第2节所介绍的函数： static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t*off) copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int); ioctl() 函数该函数是特殊的控制函数，可以通过它向设备传递控制信息或从设备取得状态信息，函数原型为： int (*ioctl) (struct inode * ,struct file * ,unsigned int ,unsigned long); unsigned int参数为设备驱动程序要执行的命令的代码，由用户自定义，unsigned long参数为相应的命令提供参数，类型可以是整型、指针等。如果设备不提供ioctl 入口点，则对于任何内核未预先定义的请求，ioctl 系统调用将返回错误（-ENOTTY，"No such ioctl fordevice，该设备无此ioctl 命令"）。如果该设备方法返回一个非负值，那么该值会被返回给调用程序以表示调用成功。 llseek()函数 该函数用来修改文件的当前读写位置，并将新位置作为（正的）返回值返回，原型为： loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); poll()函数 poll 方法是poll 和select 这两个系统调用的后端实现，用来查询设备是否可读或可写，或是否处于某种特殊状态，原型为： unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); 我们将在"设备的阻塞与非阻塞操作"一节对该函数进行更深入的介绍。 设备"gobalvar"的驱动程序的这些函数应分别命名为gobalvar_open、gobalvar_ release、gobalvar_read、gobalvar_write、gobalvar_ioctl，因此设备"gobalvar"的基本入口点结构变量gobalvar_fops 赋值如下： struct file_operations gobalvar_fops = read: gobalvar_read, write: gobalvar_write, ; 上述代码中对gobalvar_fops的初始化方法并不是标准C所支持的，属于GNU扩展语法。 完整的globalvar.c文件源代码如下： #include #include #include #include MODULE_LICENSE("GPL"); #define MAJOR_NUM 254 /主设备号 static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*); static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*); /初始化字符设备驱动的file_operations结构体 struct file_operations globalvar_fops = read: globalvar_read, write: globalvar_write, ; static int global_var = 0; /"globalvar"设备的全局变量 static int _init globalvar_init(void) int ret; /注册设备驱动 ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops); if (ret) printk("globalvar register failure"); else printk("globalvar register success"); return ret; static void _exit globalvar_exit(void) int ret; /注销设备驱动 ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar"); if (ret) printk("globalvar unregister failure"); else printk("globalvar unregister success"); static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off) /将global_var从内核空间复制到用户空间 if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int) return - EFAULT; return sizeof(int); static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t*off) /将用户空间的数据复制到内核空间的global_var if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int) return - EFAULT; return sizeof(int); module_init(globalvar_init); module_exit(globalvar_exit); 运行： gcc -D_KERNEL_ -DMODULE -DLINUX -I /usr/local/src/linux2.4/include -c -o globalvar.o globalvar.c 编译代码，运行： inmod globalvar.o 加载globalvar模块，再运行： cat /proc/devices 接着我们可以运行： mknod /dev/globalvar c 254 0 创建设备节点，用户进程通过/dev/globalvar这个路径就可以访问到这个全局变量虚拟设备了。我们写一个用户态的程序globalvartest.c来验证上述设备： #include #include #include #include main() int fd, num; /打开"/dev/globalvar" fd = open("/dev/globalvar", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR); if (fd != -1 ) /初次读globalvar read(fd, &num, sizeof(int); printf("The globalvar is %dn", num); /写globalvar printf("Please input the num written to globalvarn"); scanf("%d", &num); write(fd, &num, sizeof(int); /再次读globalvar read(fd, &num, sizeof(int); printf("The globalvar is %dn", num); /关闭"/dev/globalvar" close(fd); else printf("Device open failuren"); 编译上述文件： gcc -o globalvartest.o globalvartest.c 运行 ./globalvartest.o 可以发现"globalvar"设备可以正确的读写。 在驱动程序中，当多个线程同时访问相同的资源时（驱动程序中的全局变量是一种典型的共享资源），可能会引发"竞态"，因此我们必须对共享资源进行并发控制。Linux内核中解决并发控制的最常用方法是自旋锁与信号量（绝大多数时候作为互斥锁使用）。 自旋锁与信号量"类似而不类"，类似说的是它们功能上的相似性，"不类"指代它们在本质和实现机理上完全不一样，不属于一类。 自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环查看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"就是"在原地打转"。而信号量则引起调用者睡眠，它把进程从运行队列上拖出去，除非获得锁。这就是它们的"不类"。 但是，无论是信号量，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，即在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。这就是它们的"类似"。 鉴于自旋锁与信号量的上述特点，一般而言，自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它可以在任何上下文使用；信号量适合于保持时间较长的情况，会只能在进程上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，则可以以信号量来保护该共享资源，如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也是好的选择。但是，如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。 与信号量相关的API主要有： 定义信号量 struct semaphore sem; 初始化信号量 void sema_init (struct semaphore *sem, int val); 该函数初始化信号量，并设置信号量sem的值为val void init_MUTEX (struct semaphore *sem); 该函数用于初始化一个互斥锁，即它把信号量sem的值设置为1，等同于sema_init (struct semaphore *sem, 1)； void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem); 该函数也用于初始化一个互斥锁，但它把信号量sem的值设置为0，等同于sema_init (struct semaphore *sem, 0)； 获得信号量 void down(struct semaphore * sem); 该函数用于获得信号量sem，它会导致睡眠，因此不能在中断上下文使用； int down_interruptible(struct semaphore * sem); 该函数功能与down类似，不同之处为，down不能被信号打断，但down_interruptible能被信号打断； int down_trylock(struct semaphore * sem); 该函数尝试获得信号量sem，如果能够立刻获得，它就获得该信号量并返回0，否则，返回非0值。它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文使用。 释放信号量 void up(struct semaphore * sem); 该函数释放信号量sem，唤醒等待者。 与自旋锁相关的API主要有： 定义自旋锁 spinlock_t spin; 初始化自旋锁 spin_lock_init(lock) 该宏用于动态初始化自旋锁lock 获得自旋锁 spin_lock(lock) 该宏用于获得自旋锁lock，如果能够立即获得锁，它就马上返回，否则，它将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放； spin_trylock(lock) 该宏尝试获得自旋锁lock，如果能立即获得锁，它获得锁并返回真，否则立即返回假，实际上不再"在原地打转"； 释放自旋锁 spin_unlock(lock) 该宏释放自旋锁lock，它与spin_trylock或spin_lock配对使用； 除此之外，还有一组自旋锁使用于中断情况下的API。 下面进入对并发控制的实战。首先，在globalvar的驱动程序中，我们可以通过信号量来控制对int global_var的并发访问，下面给出源代码： #include #include #include #include #include MODULE_LICENSE("GPL"); #define MAJOR_NUM 254 static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*); static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*); struct file_operations globalvar_fops = read: globalvar_read, write: globalvar_write, ; static int global_var = 0; static struct semaphore sem; static int _init globalvar_init(void) int ret; ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops); if (ret) printk("globalvar register failure"); else printk("globalvar register success"); init_MUTEX(&sem); return ret; static void _exit globalvar_exit(void) int ret; ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar"); if (ret) printk("globalvar unregister failure"); else printk("globalvar unregister success"); static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off) /获得信号量 if (down_interruptible(&sem) return - ERESTARTSYS; /将global_var从内核空间复制到用户空间 if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int) up(&sem); return - EFAULT; /释放信号量 up(&sem); return sizeof(int); ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off) /获得信号量 if (down_interruptible(&sem) return - ERESTARTSYS; /将用户空间的数据复制到内核空间的global_var if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int) up(&sem); return - EFAULT; /释放信号量 up(&sem); return sizeof(int); module_init(globalvar_init); module_exit(globalvar_exit); 接下来，我们给globalvar的驱动程序增加open()和release()函数，并在其中借助自旋锁来保护对全局变量int globalvar_count（记录打开设备的进程数）的访问来实现设备只能被一个进程打开（必须确保globalvar_count最多只能为1）： #include #include #include #include #include MODULE_LICENSE("GPL"); #define MAJOR_NUM 254 static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*); static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);static int globalvar_open(struct inode *inode, struct file *filp); static int globalvar_release(struct inode *inode, struct file *filp); struct file_operations globalvar_fops = read: globalvar_read, write: globalvar_write, open: globalvar_open, release:globalvar_release, ; static int global_var = 0; static int globalvar_count = 0; static struct semaphore sem; static spinlock_t spin = SPIN_LOCK_UNLOCKED; static int _init globalvar_init(void) int ret; ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops); if (ret) printk("globalvar register failure"); else printk("globalvar register success"); init_MUTEX(&sem); return ret; static void _exit globalvar_exit(void) int ret; ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar"); if (ret) printk("globalvar unregister failure"); else printk("globalvar unregister success"); static int globalvar_open(struct inode *inode, struct file *filp) /获得自选锁 spin_lock(&spin); /临界资源