第6章簡(jiǎn)單的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

1、第第6 6章章 簡(jiǎn)單的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序簡(jiǎn)單的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在在Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的家族中，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的家族中，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是較為簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)也是應(yīng)用非常廣泛的驅(qū)動(dòng)程序。較為簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)也是應(yīng)用非常廣泛的驅(qū)動(dòng)程序。所以學(xué)習(xí)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)構(gòu)建所以學(xué)習(xí)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)構(gòu)建Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的知識(shí)結(jié)構(gòu)非常的重要。本章將帶領(lǐng)讀者編寫(xiě)一個(gè)完整的字符知識(shí)結(jié)構(gòu)非常的重要。本章將帶領(lǐng)讀者編寫(xiě)一個(gè)完整的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。6.1 6.1 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架本節(jié)對(duì)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。字本節(jié)對(duì)

2、字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析。字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中有許多非常重要的概念，下面將從將從最符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中有許多非常重要的概念，下面將從將從最簡(jiǎn)單的概念講起：字符設(shè)備和塊設(shè)備。簡(jiǎn)單的概念講起：字符設(shè)備和塊設(shè)備。6.1.1 6.1.1 字符設(shè)備和塊設(shè)備字符設(shè)備和塊設(shè)備Linux系統(tǒng)將設(shè)備分為系統(tǒng)將設(shè)備分為3種類(lèi)型：字符設(shè)備種類(lèi)型：字符設(shè)備、塊設(shè)備和塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備。其中字符設(shè)備和塊設(shè)備難以區(qū)分，這里將對(duì)網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備。其中字符設(shè)備和塊設(shè)備難以區(qū)分，這里將對(duì)其進(jìn)行重要講解。其進(jìn)行重要講解。1字符設(shè)備字符設(shè)備2塊設(shè)備塊設(shè)備3字符設(shè)備和塊設(shè)備的區(qū)分字符設(shè)備和塊設(shè)備的區(qū)分6.1.2 6.1.2 主設(shè)

3、備號(hào)和次設(shè)備號(hào)主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)一個(gè)字符設(shè)備或者塊設(shè)備都有一個(gè)主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備一個(gè)字符設(shè)備或者塊設(shè)備都有一個(gè)主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)。主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)統(tǒng)稱(chēng)為設(shè)備號(hào)。主設(shè)備號(hào)用來(lái)表示號(hào)。主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)統(tǒng)稱(chēng)為設(shè)備號(hào)。主設(shè)備號(hào)用來(lái)表示一個(gè)特定的驅(qū)動(dòng)程序。次設(shè)備號(hào)用來(lái)表示使用該驅(qū)動(dòng)程序的一個(gè)特定的驅(qū)動(dòng)程序。次設(shè)備號(hào)用來(lái)表示使用該驅(qū)動(dòng)程序的各設(shè)備。例如一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，有兩個(gè)各設(shè)備。例如一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，有兩個(gè)LED指示燈，指示燈，LED燈燈需要獨(dú)立的打開(kāi)或者關(guān)閉。那么，可以寫(xiě)一個(gè)需要獨(dú)立的打開(kāi)或者關(guān)閉。那么，可以寫(xiě)一個(gè)LED燈的字符燈的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，可以將其主設(shè)備號(hào)注冊(cè)成設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，可以將其主設(shè)備號(hào)

4、注冊(cè)成5號(hào)設(shè)備，次設(shè)備號(hào)設(shè)備，次設(shè)備號(hào)分別為號(hào)分別為1和和2。這里，次設(shè)備號(hào)就分別表示兩個(gè)。這里，次設(shè)備號(hào)就分別表示兩個(gè)LED燈。燈。6.1.3 6.1.3 申請(qǐng)和釋放設(shè)備號(hào)申請(qǐng)和釋放設(shè)備號(hào)內(nèi)核維護(hù)著一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來(lái)存放設(shè)備號(hào)與內(nèi)核維護(hù)著一個(gè)特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來(lái)存放設(shè)備號(hào)與設(shè)備的關(guān)系。在安裝設(shè)備時(shí)，應(yīng)該給設(shè)備申請(qǐng)一個(gè)設(shè)備號(hào)，設(shè)備的關(guān)系。在安裝設(shè)備時(shí)，應(yīng)該給設(shè)備申請(qǐng)一個(gè)設(shè)備號(hào)，使系統(tǒng)可以明確設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備號(hào)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的很多使系統(tǒng)可以明確設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備號(hào)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的很多功能，是通過(guò)設(shè)備號(hào)來(lái)操作設(shè)備的。這里，首先對(duì)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備功能，是通過(guò)設(shè)備號(hào)來(lái)操作設(shè)備的。這里，首先對(duì)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)進(jìn)行

5、簡(jiǎn)述。號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)述。6.2 6.2 初識(shí)初識(shí)cdevcdev結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)當(dāng)申請(qǐng)字符設(shè)備的設(shè)備號(hào)后，這時(shí)，需要將字符設(shè)備注當(dāng)申請(qǐng)字符設(shè)備的設(shè)備號(hào)后，這時(shí)，需要將字符設(shè)備注冊(cè)到系統(tǒng)中，才能使用字符設(shè)備。為了理解這個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，冊(cè)到系統(tǒng)中，才能使用字符設(shè)備。為了理解這個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，首先解釋一下首先解釋一下cdev結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)體。6.2.1 cdev6.2.1 cdev結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體 在在linux內(nèi)核中使用內(nèi)核中使用cdev結(jié)構(gòu)體來(lái)描述字符設(shè)備。該結(jié)結(jié)構(gòu)體來(lái)描述字符設(shè)備。該結(jié)構(gòu)體是所有字符設(shè)備的抽象，其包含了大量字符設(shè)備所共有構(gòu)體是所有字符設(shè)備的抽象，其包含了大量字符設(shè)備所共有的特性。的特性。6.2.2 fil

6、e_operations6.2.2 file_operations結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體file_operations是一個(gè)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的抽象結(jié)構(gòu)體。是一個(gè)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作的抽象結(jié)構(gòu)體。linux內(nèi)核的設(shè)計(jì)非常巧妙。內(nèi)核允許為設(shè)備建立一個(gè)設(shè)備內(nèi)核的設(shè)計(jì)非常巧妙。內(nèi)核允許為設(shè)備建立一個(gè)設(shè)備文件，對(duì)設(shè)備文件的所有操作，就相當(dāng)于對(duì)設(shè)備的操作。這文件，對(duì)設(shè)備文件的所有操作，就相當(dāng)于對(duì)設(shè)備的操作。這樣的好處是，用戶(hù)程序可以使用訪問(wèn)普通文件的方法，來(lái)訪樣的好處是，用戶(hù)程序可以使用訪問(wèn)普通文件的方法，來(lái)訪問(wèn)設(shè)備文件問(wèn)設(shè)備文件,進(jìn)而訪問(wèn)設(shè)備。這樣的方法，極大地減輕了程進(jìn)而訪問(wèn)設(shè)備。這樣的方法，極大地減輕了程序員的編程負(fù)

7、擔(dān)，程序員不必要去熟悉新的驅(qū)動(dòng)接口，就能序員的編程負(fù)擔(dān)，程序員不必要去熟悉新的驅(qū)動(dòng)接口，就能夠訪問(wèn)設(shè)備。夠訪問(wèn)設(shè)備。6.2.3 cdev6.2.3 cdev和和file_operationsfile_operations結(jié)構(gòu)體的關(guān)系結(jié)構(gòu)體的關(guān)系一般來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)人員會(huì)將特定設(shè)備的特定數(shù)據(jù)放一般來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)人員會(huì)將特定設(shè)備的特定數(shù)據(jù)放到到cdev結(jié)構(gòu)體后，組成一個(gè)新的結(jié)構(gòu)體。如圖結(jié)構(gòu)體后，組成一個(gè)新的結(jié)構(gòu)體。如圖6.3所示，所示，“自定義字符設(shè)備自定義字符設(shè)備”中就包含特定設(shè)備的數(shù)據(jù)。該中就包含特定設(shè)備的數(shù)據(jù)。該“自定義設(shè)自定義設(shè)備備”中有一個(gè)中有一個(gè)cdev結(jié)構(gòu)體。結(jié)構(gòu)體。cdev結(jié)構(gòu)體中有

8、一個(gè)指向結(jié)構(gòu)體中有一個(gè)指向file_operations的指針。這里，的指針。這里，file_operations中的函數(shù)就可中的函數(shù)就可以用來(lái)操作硬件，或者以用來(lái)操作硬件，或者“自定義字符設(shè)備自定義字符設(shè)備”中的其他數(shù)據(jù)，中的其他數(shù)據(jù)，從而起到控制設(shè)備的作用。從而起到控制設(shè)備的作用。6.2.4 inode6.2.4 inode結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)體內(nèi)核使用內(nèi)核使用inode結(jié)構(gòu)在內(nèi)部表示文件。結(jié)構(gòu)在內(nèi)部表示文件。inode一般作為一般作為file_operations結(jié)構(gòu)中函數(shù)的參數(shù)傳遞過(guò)來(lái)。例如，結(jié)構(gòu)中函數(shù)的參數(shù)傳遞過(guò)來(lái)。例如，open函函數(shù)將傳遞一個(gè)數(shù)將傳遞一個(gè)inode指針進(jìn)來(lái)，表示目前打開(kāi)的文

9、件節(jié)點(diǎn)。指針進(jìn)來(lái)，表示目前打開(kāi)的文件節(jié)點(diǎn)。需要注意的是，需要注意的是，inode的成員已經(jīng)被系統(tǒng)賦予了合適的值，的成員已經(jīng)被系統(tǒng)賦予了合適的值，驅(qū)動(dòng)程序只需要使用該節(jié)點(diǎn)中的信息，而不用去更改。驅(qū)動(dòng)程序只需要使用該節(jié)點(diǎn)中的信息，而不用去更改。6.3 6.3 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的組成字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的組成了解字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的組成，對(duì)編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序非常了解字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的組成，對(duì)編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序非常有用。因?yàn)樽址O(shè)備在結(jié)構(gòu)上都有很多相似的地方，所以只有用。因?yàn)樽址O(shè)備在結(jié)構(gòu)上都有很多相似的地方，所以只要會(huì)編寫(xiě)一個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，那么相似的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)要會(huì)編寫(xiě)一個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，那么相似的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編

10、寫(xiě)，就不難了。在程序的編寫(xiě)，就不難了。在linxu系統(tǒng)中，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程系統(tǒng)中，字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由以下幾個(gè)部分組成。序由以下幾個(gè)部分組成。6.3.1 6.3.1 字符設(shè)備加載和卸載函數(shù)字符設(shè)備加載和卸載函數(shù)在字符設(shè)備的加載函數(shù)中，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)字符設(shè)備號(hào)的申在字符設(shè)備的加載函數(shù)中，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)字符設(shè)備號(hào)的申請(qǐng)和請(qǐng)和cdev的注冊(cè)。相反，在字符設(shè)備的卸載函數(shù)中應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的注冊(cè)。相反，在字符設(shè)備的卸載函數(shù)中應(yīng)該實(shí)現(xiàn)字符設(shè)備號(hào)的釋放和字符設(shè)備號(hào)的釋放和cdev的注銷(xiāo)。的注銷(xiāo)。cdev是內(nèi)核開(kāi)發(fā)者對(duì)字符設(shè)備的一個(gè)抽象。除了是內(nèi)核開(kāi)發(fā)者對(duì)字符設(shè)備的一個(gè)抽象。除了cdev中中的信息外，特定的字符設(shè)備還需要特定的信息，

11、常常將特定的信息外，特定的字符設(shè)備還需要特定的信息，常常將特定的信息放在的信息放在cdev之后，形成一個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)體，如代碼中的之后，形成一個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)體，如代碼中的xxx_dev。6.3.2 file_operations6.3.2 file_operations結(jié)構(gòu)體和其成員函數(shù)結(jié)構(gòu)體和其成員函數(shù)file_operations結(jié)構(gòu)體中的成員函數(shù)都對(duì)應(yīng)著驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)體中的成員函數(shù)都對(duì)應(yīng)著驅(qū)動(dòng)程序的接口，用戶(hù)程序可以通過(guò)內(nèi)核來(lái)調(diào)用這些接口，從而控制的接口，用戶(hù)程序可以通過(guò)內(nèi)核來(lái)調(diào)用這些接口，從而控制設(shè)備。大多數(shù)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)都會(huì)實(shí)現(xiàn)設(shè)備。大多數(shù)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)都會(huì)實(shí)現(xiàn)read() )、write()和和

12、ioctl()函數(shù)。函數(shù)。6.3.3 6.3.3 驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換是非常重要的。驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換是非常重要的。file_operations中的中的read()和和write()函數(shù)，就是用來(lái)在驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)，就是用來(lái)在驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序間交換數(shù)據(jù)的。通過(guò)數(shù)據(jù)交換，驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程和應(yīng)用程序間交換數(shù)據(jù)的。通過(guò)數(shù)據(jù)交換，驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序可以彼此了解對(duì)方的情況。但是驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序?qū)儆诓恍蚩梢员舜肆私鈱?duì)方的情況。但是驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序?qū)儆诓煌牡刂房臻g。驅(qū)動(dòng)程序不能直接訪問(wèn)應(yīng)用程序的地址空間；同的地址空間。驅(qū)動(dòng)程序不

13、能直接訪問(wèn)應(yīng)用程序的地址空間；同樣應(yīng)用程序也不能直接訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序的地址空間，否則會(huì)破同樣應(yīng)用程序也不能直接訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序的地址空間，否則會(huì)破壞彼此空間中的數(shù)據(jù)，壞彼此空間中的數(shù)據(jù)，從而造成系統(tǒng)崩潰，或者數(shù)據(jù)損壞。從而造成系統(tǒng)崩潰，或者數(shù)據(jù)損壞。6.3.4 6.3.4 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序組成小結(jié)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序組成小結(jié)字符設(shè)備是字符設(shè)備是3大類(lèi)設(shè)備（字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）大類(lèi)設(shè)備（字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）中較簡(jiǎn)單的一類(lèi)設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)程序中完成的主要工作是初始中較簡(jiǎn)單的一類(lèi)設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)程序中完成的主要工作是初始化、添加和刪除化、添加和刪除cdev結(jié)構(gòu)體，申請(qǐng)和釋放設(shè)備號(hào)，以及填充結(jié)構(gòu)體，申請(qǐng)和

14、釋放設(shè)備號(hào)，以及填充file_operation結(jié)構(gòu)體中操作函數(shù)，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體中操作函數(shù)，并實(shí)現(xiàn)file_operations結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)體中的體中的read()、write()、ioctl()等重要函數(shù)。等重要函數(shù)。6.4 VirtualDisk6.4 VirtualDisk字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)從本章開(kāi)始，后續(xù)的幾章都將以一個(gè)從本章開(kāi)始，后續(xù)的幾章都將以一個(gè)VirtualDisk設(shè)備為設(shè)備為藍(lán)本進(jìn)行講解。藍(lán)本進(jìn)行講解。VirtualDisk是一個(gè)虛擬磁盤(pán)設(shè)備，在這個(gè)虛是一個(gè)虛擬磁盤(pán)設(shè)備，在這個(gè)虛擬磁盤(pán)設(shè)備中分配了擬磁盤(pán)設(shè)備中分配了8K的連續(xù)內(nèi)存空間，并定義了兩個(gè)端口的連續(xù)內(nèi)存空間，并定義了兩

15、個(gè)端口數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)（port1和和port2）。驅(qū)動(dòng)程序可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)、控制）。驅(qū)動(dòng)程序可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)、控制和定位操作，用戶(hù)空間的程序可以通過(guò)和定位操作，用戶(hù)空間的程序可以通過(guò)Linux系統(tǒng)調(diào)用訪問(wèn)系統(tǒng)調(diào)用訪問(wèn)VirtualDisk設(shè)備中的數(shù)據(jù)。設(shè)備中的數(shù)據(jù)。6.4.1 VirtualDisk6.4.1 VirtualDisk的頭文件、宏和設(shè)備結(jié)構(gòu)體的頭文件、宏和設(shè)備結(jié)構(gòu)體VirtualDisk驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該包含必要的頭文件和宏信息，驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該包含必要的頭文件和宏信息，并定義一個(gè)與實(shí)際設(shè)備相對(duì)應(yīng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)體，相關(guān)的定義如并定義一個(gè)與實(shí)際設(shè)備相對(duì)應(yīng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)體，相關(guān)的定義如下面的代碼所示。

16、下面的代碼所示。6.4.2 6.4.2 加載和卸載驅(qū)動(dòng)程序加載和卸載驅(qū)動(dòng)程序第第6.3節(jié)已經(jīng)對(duì)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的加載和卸載模板進(jìn)節(jié)已經(jīng)對(duì)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的加載和卸載模板進(jìn)行了介紹。行了介紹。VirtualDisk的加載和卸載函數(shù)也和的加載和卸載函數(shù)也和6.3節(jié)介紹的節(jié)介紹的類(lèi)似。類(lèi)似。6.4.3 cdev6.4.3 cdev的初始化和注冊(cè)的初始化和注冊(cè) 上面代碼的第上面代碼的第25行調(diào)用的行調(diào)用的VirtualDisk_setup_cdev()函數(shù)函數(shù)完成了完成了cdev的初始化和注冊(cè)。的初始化和注冊(cè)。6.4.4 6.4.4 打開(kāi)和釋放函數(shù)打開(kāi)和釋放函數(shù)當(dāng)用戶(hù)程序調(diào)用當(dāng)用戶(hù)程序調(diào)用open()

17、函數(shù)打開(kāi)設(shè)備文件時(shí)，內(nèi)核會(huì)最函數(shù)打開(kāi)設(shè)備文件時(shí)，內(nèi)核會(huì)最終調(diào)用終調(diào)用VirtualDisk_open()函數(shù)。函數(shù)。6.4.5 6.4.5 讀寫(xiě)函數(shù)讀寫(xiě)函數(shù)當(dāng)用戶(hù)程序調(diào)用當(dāng)用戶(hù)程序調(diào)用read()函數(shù)讀設(shè)備文件中的數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)函數(shù)讀設(shè)備文件中的數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)核會(huì)最終調(diào)用核會(huì)最終調(diào)用VirtualDisk_read()函數(shù)。函數(shù)。6.4.6 seek()6.4.6 seek()函數(shù)函數(shù)當(dāng)用戶(hù)程序調(diào)用當(dāng)用戶(hù)程序調(diào)用fseek()函數(shù)在設(shè)備文件中移動(dòng)文件指針函數(shù)在設(shè)備文件中移動(dòng)文件指針時(shí)，內(nèi)核會(huì)最終調(diào)用時(shí)，內(nèi)核會(huì)最終調(diào)用VirtualDisk_llseek()函數(shù)。函數(shù)。6.4.7 ioctl()6.4.7 ioctl()函數(shù)函數(shù)當(dāng)用戶(hù)程序調(diào)用當(dāng)用戶(hù)程序調(diào)用ioctl()函數(shù)改變?cè)O(shè)備的功能時(shí)，內(nèi)核會(huì)函數(shù)改變?cè)O(shè)備的功能時(shí)，內(nèi)核會(huì)最終調(diào)用最終調(diào)用VirtualDisk_ioctl()函數(shù)。函數(shù)。6.5 6.5 小結(jié)小結(jié)本章主要講解了字符設(shè)備