字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、中 南 大 學(xué)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序課程設(shè)計(jì)報(bào)告姓名：王學(xué)彬?qū)I(yè)班級(jí)：信安1002班學(xué)號(hào)：0909103108課程：操作系統(tǒng)安全課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：張士庚一、課程設(shè)計(jì)目的1. 了解Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)；2. 掌握Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序常用結(jié)構(gòu)體和操作函數(shù)的使用方法；3. 初步掌握Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫方法及過程；4. 掌握Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的加載方法及測(cè)試方法。二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容5. 設(shè)計(jì)Windows XP或者Linux操作系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序;6. 掌握虛擬字符設(shè)備的設(shè)計(jì)方法和測(cè)試方法；7. 編寫測(cè)試應(yīng)用程序，測(cè)試對(duì)該設(shè)備的讀寫等操作。三、需求分析3.1驅(qū)動(dòng)程序介紹

2、驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)將應(yīng)用程序如讀、寫等操作正確無誤的傳遞給相關(guān)的硬件，并使硬件能夠做出正確反應(yīng)的代碼。驅(qū)動(dòng)程序像一個(gè)黑盒子，它隱藏了硬件的工作細(xì)節(jié)，應(yīng)用程序只需要通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的接口實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操作。3.2 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分類Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在Linux的內(nèi)核源代碼中占有很大的比例，源代碼的長(zhǎng)度日益增加，主要是驅(qū)動(dòng)程序的增加。雖然Linux內(nèi)核的不斷升級(jí)，但驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)還是相對(duì)穩(wěn)定。Linux系統(tǒng)的設(shè)備分為字符設(shè)備(char device)，塊設(shè)備(block device)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(network device)三種。字符設(shè)備是指在存取時(shí)沒有緩存的設(shè)備，而塊設(shè)備的讀寫都有緩存來支

3、持，并且塊設(shè)備必須能夠隨機(jī)存取(random access)。典型的字符設(shè)備包括鼠標(biāo)，鍵盤，串行口等。塊設(shè)備主要包括硬盤軟盤設(shè)備，CD-ROM等。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在Linux里做專門的處理。Linux的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是基于BSD unix的socket機(jī)制。在系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序之間定義有專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(sk_buff)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)有支持對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的緩存，提供流量控制機(jī)制，提供對(duì)多協(xié)議的支持。3.3驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)如圖3.1所示，應(yīng)用程序經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)用，進(jìn)入核心層，內(nèi)核要控制硬件需要通過驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)，驅(qū)動(dòng)程序相當(dāng)于內(nèi)核與硬件之間的“系統(tǒng)調(diào)用”。圖3.1驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)3.3.1 內(nèi)核模

4、塊內(nèi)核模塊是Linux內(nèi)核的重要組成要素，內(nèi)核模塊能在Linux系統(tǒng)啟動(dòng)之后能夠動(dòng)態(tài)進(jìn)行裝載和卸載，因此不需對(duì)內(nèi)核進(jìn)行重新編譯或重啟系統(tǒng)就可將內(nèi)核的一部分替換掉，Linux內(nèi)核的所有設(shè)備驅(qū)動(dòng)，文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等可做成模塊的形式來提供。在所有的模塊中需記錄編譯的內(nèi)核版本信息，并與當(dāng)前執(zhí)行的內(nèi)核版本一致。即，模塊具有版本依賴性，如果不一樣就會(huì)出錯(cuò)，當(dāng)然可以在模塊程序中的include<linux/module.h>之前通過宏定義#define_NO_VERSION_表明不定義模塊的版本信息。內(nèi)核模塊程序與一般應(yīng)用程序之間主要不同之處是，模塊程序沒有main()函數(shù)，模塊程序在裝載時(shí)調(diào)

5、用init_module(void)函數(shù)添加到內(nèi)核中，在卸載時(shí)調(diào)用void cleanup_module( )函數(shù)從內(nèi)核中卸載。另外一個(gè)應(yīng)用程序從頭到尾只執(zhí)行一個(gè)任務(wù)，但一個(gè)模塊可以把響應(yīng)未來請(qǐng)求的事務(wù)登記到內(nèi)核中，然后等待系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核模塊程序結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2內(nèi)核模塊程序結(jié)構(gòu)3.4主、從設(shè)備號(hào)應(yīng)用程序通過設(shè)備文件系統(tǒng)（devfs）的名字(或節(jié)點(diǎn))訪問硬件設(shè)備，所有的設(shè)備節(jié)點(diǎn)在/dev目錄下。利用mknod命令生成設(shè)備文件系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，但只有超級(jí)用戶才能生成設(shè)備文。Mknod命令必須要有設(shè)備名和設(shè)備類型，主設(shè)備號(hào)（Major Number），次設(shè)備號(hào)（Minor Number）等3個(gè)

6、參數(shù)。主設(shè)備號(hào)用于內(nèi)核區(qū)分設(shè)備驅(qū)動(dòng)，次設(shè)備號(hào)用于設(shè)備驅(qū)動(dòng)區(qū)分設(shè)備。一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)可能控制多個(gè)設(shè)備。新的設(shè)備驅(qū)動(dòng)要有新的主設(shè)備號(hào)。在內(nèi)核源代碼的Documentation/devices.txt中定義了所有設(shè)備的主設(shè)備號(hào)。在創(chuàng)建設(shè)備的時(shí)候不要與常用的設(shè)備好沖突。3.5驅(qū)動(dòng)程序基本框架如果采用模塊方式編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，通常至少要實(shí)現(xiàn)設(shè)備初始化模塊、設(shè)備打開模塊、數(shù)據(jù)讀寫與控制模塊、中斷處理模塊（有的驅(qū)動(dòng)程序沒有）、設(shè)備釋放模塊和、設(shè)備卸載模塊等幾個(gè)部分。3.6重要結(jié)構(gòu)體打開的設(shè)備在內(nèi)核內(nèi)部由file結(jié)構(gòu)標(biāo)識(shí)，內(nèi)核使用file_operation結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)。file_operation結(jié)構(gòu)

7、是一個(gè)定義在<linux/fs.h>中的函數(shù)指針數(shù)組。每個(gè)文件都與它自己的函數(shù)集相關(guān)聯(lián)。這個(gè)結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)字段都必須指向驅(qū)動(dòng)程序中實(shí)現(xiàn)特定操作的函數(shù)。結(jié)構(gòu)如下，詳細(xì)內(nèi)容可查閱相關(guān)文檔。structfile_operationsstruct module *owner;loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, l

8、off_t *);int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);unsignedint (*poll) (struct file *, structpoll_table_struct *);int (*ioctl) (structinode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);int (*mmap) (struct file *, structvm_area_struct *);int (*open) (structinode *, struct file *);int (*flus

9、h) (struct file *);int (*release) (structinode *, struct file *);int (*fsync) (struct file *, structdentry *, intdatasync);int (*fasync) (int, struct file *, int);int (*lock) (struct file *, int, structfile_lock *);ssize_t (*readv) (struct file *, conststructiovec *, unsigned long, loff_t *);ssize_t

10、 (*writev) (struct file *, conststructiovec *, unsigned long, loff_t *);ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);四、總體設(shè)計(jì)1 在對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的有了充分的學(xué)習(xí)后，字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序我們確定采用

11、虛擬設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)2 實(shí)現(xiàn)平臺(tái)為linux系統(tǒng)，借助linux內(nèi)核對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的抽象結(jié)構(gòu)體和內(nèi)核函數(shù)3 要明確定義虛擬設(shè)備的的設(shè)備結(jié)構(gòu)體4 實(shí)現(xiàn)模塊加載函數(shù)和卸載函數(shù)5 實(shí)現(xiàn)open(),close(),lseek(),write(),read()函數(shù)6 因源碼包中已包含makefile，故利用make命令交叉編譯memdev.c、test.c（已修改）等2個(gè)文件7 模塊的動(dòng)態(tài)加載，以及/dev/memdev節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建8 運(yùn)行test程序測(cè)試，觀察結(jié)果五、詳細(xì)設(shè)計(jì)1.在對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)的有了充分的學(xué)習(xí)后，字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序我們確定采用虛擬設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)，其中確定該設(shè)備主要的結(jié)構(gòu)體為： st

12、ruct mem_dev char *data; unsigned long size; ;2.實(shí)現(xiàn)平臺(tái)為linux系統(tǒng)，借助linux內(nèi)核對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的抽象結(jié)構(gòu)體和內(nèi)核函數(shù)，要調(diào)用的內(nèi)核抽象體有： struct cdev cdev; /表示一個(gè)字符設(shè)備的內(nèi)核設(shè)備的抽象體 static const struct file_operations mem_fops = .owner = THIS_MODULE, .llseek = mem_llseek, .read = mem_read, .write = mem_write, .open = mem_open, .release = mem_

13、release,;3.要明確定義虛擬設(shè)備的的設(shè)備結(jié)構(gòu)體 struct mem_dev char *data; unsigned long size; ;4.實(shí)現(xiàn)模塊加載函數(shù)和卸載函數(shù)static int memdev_init(void) static int memdev_exit(void)5.實(shí)現(xiàn)open(),close(),lseek(),write(),read()函數(shù) int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp); int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp

14、); static ssize_t mem_read(struct file *filp, char _user *buf, size_t size, loff_t *ppos); static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char _user *buf, size_t size, loff_t *ppos) static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence);6.編譯模塊，模塊的動(dòng)態(tài)加載，以及/dev/memdev節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建,mknod /dev

15、/memdev結(jié)果如下：模塊編譯完，后我們需要把內(nèi)核模塊動(dòng)態(tài)加載到內(nèi)核，用命令insmod memdev.ko加載，用命令lsmod顯示加載成功，結(jié)果為：7運(yùn)行test程序測(cè)試，觀察結(jié)果我們看到我們用應(yīng)用程序成功的寫入了”xiaotian!”并出設(shè)備中成功的讀出，證明我們的驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行完美。六、關(guān)鍵源代碼注解/*設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊加載函數(shù)*/static int memdev_init(void) int result; int i; dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0); /*通過主設(shè)備號(hào)得到dev_t類型的設(shè)備號(hào)*/ /* 靜態(tài)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)*/ if (mem_maj

16、or) result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev"); else /* 動(dòng)態(tài)分配設(shè)備號(hào) */ result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev"); mem_major = MAJOR(devno); if (result < 0) return result; /*初始化cdev結(jié)構(gòu)*/ cdev_init(&cdev, &mem_fops);/使cdev與mem_fops聯(lián)系起來 cdev.owner = THI

17、S_MODULE;/owner成員表示誰擁有這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，使“內(nèi)核引用模塊計(jì)數(shù)”加1；THIS_MODULE表示現(xiàn)在這個(gè)模塊被內(nèi)核使用，這是內(nèi)核定義的一個(gè)宏 cdev.ops = &mem_fops; /* 注冊(cè)字符設(shè)備 */ cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS); /* 為設(shè)備描述結(jié)構(gòu)分配內(nèi)存*/ mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS*sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);/目前為止我們始終用GFP_KERNEL if (!mem_devp) /

18、*申請(qǐng)失敗*/ result = - ENOMEM; goto fail_malloc; memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev); /*為設(shè)備分配內(nèi)存*/ for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i+) mem_devpi.size = MEMDEV_SIZE; mem_devpi.data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);/分配出來的地址存在此 memset(mem_devpi.data, 0, MEMDEV_SIZE); return 0; fail_malloc: unregister_chrdev_region(devno, 1); return result;/*模塊卸載函數(shù)*/static void memdev_exit(void) cdev_d