Linux下编写驱动程序（VFS）

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摘要：设备驱动程序是操作系统内核与机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节。那么驱动程序如何书写实现这一接口功能是本文讨论的重点，并以一简单的驱动程序介绍书写细节。        在用户进程调用驱动程序时，系统进入核心态，这时不再是抢先式调度。（应用程序一般是在用户态下进行）也就是说系统必须在驱动程序的子函数返回后才能进行其它的工作，即驱动程序不能进入死循环。
字符型设备驱动程序的编写包含一下信息：
#define _NO_VERSION_
#include <linux/modules.h>
#include <linux/version.h>
char kernel_version[]=UTS_RELEASE
        这段定义了一些版本信息，虽然用处不大，但也必不可少。<linux/config.h>最好要包含。由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的操作不外乎就是一些系统调用，如open，read，write，close……，（注意，不是fopen，fread，）但是如何把系统调用和驱动程序联系起来呢？这需要了解一个非常关键的数据结构：
struct file_opertions{
int(*seek)(struct inode*, struct file*, off_t, int);/*文件定位*/
int(*read)(struct inode*, struct file*, char, int);/*读取数据*/
int(*write)(struct inode*, struct file*, off_t, int);/*写数据*/
int(*readdir)(struct inode*, struct file*, struct dirent*, int);/*读取相关目录*/
int(*select)(struct inlde*, struct file*, int, select_table*);/*非阻塞设备访问*/
int(*ioctl)(struct inlde*, struct file*, unsigned int, unsigned long);
int(*mmap)(struct inlde*, struct file*, struct vm_area_struct*);
int(*open)(struct inlde*, struct file*);
int(*release)(struct inlde*, struct file*);
int(*fsync)(struct inlde*, struct file*);/*强制同步*/
int(*fasync)(struct inlde*, struct file*);
int(*check_media_change)(struct inlde*, struct file*);
int(*revalidata)(dev_t dev);/*使设备重新有效*/
}
        其中read，write，open，close（release），ioctl是最核心的，必须实现的。
        这个结构体的每个成员的名字都对应着一个系统调用。用户进程利用系统调用在对设备文件进行诸如read/write操作时，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备注册程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数。这是linux的设备驱动程序工作的基本原理。既然是这样，则编写设备驱动程序的主要工作就是编写子函数，并填充file_operatons的各个域。

        以下是简单的字符型设备的驱动程序编写方式，例子程序并不牵扯到具体设备，只是个编写框架。
#include <linux/types.h> //Linux基本类型定义
#include <linux/fs.h> //文件系统相关头文件
#include <linux/mm.h> //memmory management内存管理
#include <linux/errno.h> //错误代码
#include <asm/segment.h> //汇编文件
unsigned int test_major = 0; /*定义一个主设备号（主设备号、从设备号在Linux设备管理中有相关介绍）*/
static int read_test(struct inode *inode, struct file *file, char *buf, int count)
{
/*本函数对应于file_opertions中read的实现，函数名自己定义。inode为设备节点，file为设备文件描述符（open()打开后自动或得），buf为数据缓冲区，count为数据传送个数。“static ”这里修饰函数名表示函数只在本文件中有效。这里函数只实现简单数据拷贝功能。*/
    int left;
    if(verify_area(VERIFY_WRITE, buf, count) == -EFAULT) //验证缓存中的数据是否有效
        return -EFAULT; //错误码，在<linux/errno.h> 包含
    for(left=count; left>0; left--)
    {
        __put_user(1, buf, 1);
         /* “ __”表示内核调用函数，此函数表示把数据从内核空间放到用户空间，参数依次表示：填充数、用户空间、数据量。*/
        buf++;
    }
    return count;
}
        这个函数是为read调用准备的。当调用read时，read_test()被调用，它把用户的缓冲区全部写1。buf是read调用的一个参数。它是用户进程空间的一个地址。但是在read_test被调用时，系统进入核心态（内核空间），必须用__put_user()，这是kernel提供的一个函数，用于向用户传送数据。另外还有很多类似功能的函数，参考内核调用接口函数。在向用户空间拷贝数据之前，必须验证buf空间是否可用。这就用到verify_area()。
static int write_test(struct inode *inode *inode, struct file *file, const char *buf, int count)
{
    return count;
}
写数据函数，具体没有实现，直接返回计数值。
static int open_test(struct inode *inode, struct file *file)
{
    MOD_INC_USE_COUNT; //宏：注册模块数加1
    return 0; //返回0表示成功，根据函数自己定义。
}
这个函数比较简单，它不牵扯到设备文件，仅将模块数加1。
static void release_test(struct inode *inode, struct file *file)
{
    MOD_DEC_USE_COUNT; //模块数减1
}
        以上实现四个函数，后三个函数都是空操作，实际调用发生时什么也不做，它们仅仅为file_operations结构体提供函数指针。
        下面开始注册刚刚写好的函数
struct file_operations test_fops =
/*file_operations结构体名，test_fops结构体对象*/
{
NILL,     /*seek*/
read_test,
write_test,
NULL,    /*test_readdir*/
NULL,    /*test_mmap*/
open_test,
release_test,
NULL,    /*test_fsvnc*/
NULL,    /*test_fasync*/
/* 其它位置均填为空NILL*/
};
        设备驱动程序的主体可以说是写好了，现在把驱动程序嵌入内核。驱动程序可用按照两种方式编译。一种是编译进内核（kernel），另一种是编译成模块（modules）如*.o文件，如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文件，而且不能动态的卸载，不利于调试，所以推荐使用模块方式。
        1、登记注册设备：
方式一：编译进内核，利用函数init_module()
int init_module(void)
{
    int result;
    result = register_chrdev(0, "test", &test_fops);
    /*内核函数：注册一个字符型设备到内核中去。参数：指定设备号（0：表示内核根据主设备号获得并返回给result）、设备名、设备结构体名*/
    if(result < 0)
    {
        printk(KERN_INFO"test:: can't get major number\n");
        /*在内核空间驱动程序打印数据，参数：打印优先级、打印信息*/
        return result;
    }
    if(test_major == 0) test_major = result;
    return 0;
}
方式二：编译加载模块方式，利用insmod命令，在用insmod命令将编译好的模块调用内存时，init_module()函数被调用。在这里，init_module()函数只做了一件事，就是向系统的字符设备表登记了一个字符设备。
        register_chrdev()需要三个参数，参数一是希望获得的设备号，如果是0，系统将选择一个没有被占用的设备号返回。参数二是设备文件名，参数三用来登记驱动程序实际执行操作的函数指针。如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功，返回一个负数。
        2、卸载设备：
void cleanup_module(void)
{
    unregister_chrdev(test_major, "test");
}
        在用rmmod卸载模块时，cleanup_module()函数被调用，它释放字符设备test在系统字符设备表中占有的表项。
        至此，一个及其简单的字符设备可以说写好了，为以下叙述方便，命名文件为test.c。
        上文讲到驱动程序已经基本写好，并命名为test.c文件，下面进行编译：
$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c
注释：-O2表示优化等级，-DMODULE表示编译成模块，-D__KERNEL__表示加载到内核的某个模块， -c表示编译生成test.o文件（2.4版本）
        得到的文件test.o就是一个设备驱动程序。如果设备驱动程序有多个文件，把每个文件按上面的命令行编译，然后进行链接
$ ld -r file1.o file2.o -o <模块名>
        驱动程序已经编译好了，现在把它安装到系统中去。
$ insmod -f test.o
注释：-f表示强制加载，test.o为模块名
        如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test，并可以看到它的设备号。要卸载的话，运行
$ rmmod test
        下一步要创建设备节点
$ mknod /dev/test c 主设备号 从设备号
注释：c表示字符型设备，主设备号就是在/proc/devices里看到的。用shell命令打印全部设备，就可以获得主设备号。
$ cat /proc/device

        我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个测试程序。
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
main()
{
    int testdev;
    int i;
    char buf[10];
    testdev = open("/dev/test", O_RDWR);
    /*open()函数首先为打开文件分配文件句柄fd，然后再为打开的文件在文件表中分配一个空闲文件结构项，然后让刚分配的文件句柄fd的文件结构指针指向搜索到的文件结构，然后调用namei()取得对应文件i节点，然后让文件结构与这个i节点结构相关联。i节点中包含有该文件所代表的主设备号和子设备号，还有它属于什么类型文件（如普通文件、目录文件、字符设备文件、块设备文件、管道文件等）。*/
    if(testdev == -1)
    {
        printf("Cann't open file \n"); //用户空间使用printf()，内核空间使用printk()
         exit(0);//退出系统
    }
    read(testdev, buf, 10);
    /*read()/write()根据open()返回的文件句柄fd，取得该文件的i节点。根据该i节点的属性字段（i_pipe和i_mode）来决定调用相应的读写操作函数。*/
    for(i=0; i<10; i++)
        printf("%d\n", buf);
    close(testdev);
}
        编译运行，打印结果应该输出全1
        以上只是一个简单的演示。真正使用的驱动程序要复杂的多，要处理中断，DMA，I/Oport等问题。这才是真正的难点。