Linux字符设备驱动结构 1.1 cdev结构体 在Linux2.6 内核中,使用cdev结构体来描述一个字符设备,cdev结构体的定义如下: struct cdev { struct kobject kobj; struct module *owner; /*通常为THIS_MODULE*/ struct file_operations *ops; /*在cdev_init()这个函数里面与cdev结构联系起来*/ struct list_head list; dev_t dev; /*设备号*/ unsigned int count; }; cdev 结构体的dev_t 成员定义了设备号,为32位,其中12位是主设备号,20位是次设备号,我们只需使用二个简单的宏就可以从dev_t 中获取主设备号和次设备号: MAJOR(dev_t dev) MINOR(dev_t dev) 相反地,可以通过主次设备号来生成dev_t: MKDEV(int major,int minor)
1.2 Linux 2.6内核提供一组函数用于操作cdev 结构体: 1:void cdev_init(struct cdev*,struct file_operations *); 2:struct cdev *cdev_alloc(void); 3:int cdev_add(struct cdev *,dev_t,unsigned); 4:void cdev_del(struct cdev *); 其中(1)用于初始化cdev结构体,并建立cdev与file_operations 之间的连接。(2)用于动态分配一个cdev结构,(3)向内核注册一个cdev结构,(4)向内核注销一个cdev结构
1.3 Linux 2.6内核分配和释放设备号 在调用cdev_add()函数向系统注册字符设备之前,首先应向系统申请设备号,有二种方法申请设备号,一种是静态申请设备号: 5:int register_chrdev_region(dev_t from,unsigned count,const char *name) 另一种是动态申请设备号: 6:int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned baseminor,unsigned count,const char *name); 其中,静态申请是已知起始设备号的情况,如先使用cat /proc/devices 命令查得哪个设备号未事先使用(不推荐使用静态申请);动态申请是由系统自动分配,只需设置major = 0即可。 相反地,在调用cdev_del()函数从系统中注销字符设备之后,应该向系统申请释放原先申请的设备号,使用: 7:void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count);
1.4 cdev结构的file_operations结构体 这个结构体是字符设备当中最重要的结构体之一,file_operations 结构体中的成员函数指针是字符设备驱动程序设计的主体内容,这些函数实际上在应用程序进行Linux 的 open()、read()、write()、close()、seek()、ioctl()等系统调用时最终被调用。在include/linux/fs.h文件中定义,这里不一一详解,仅仅解析一些常用的API。 struct file_operations { /*拥有该结构的模块计数,一般为THIS_MODULE*/ /*用于修改文件当前的读写位置*/ /*从设备中同步读取数据*/ /*向设备中写数据*/
/*轮询函数,判断目前是否可以进行非阻塞的读取或写入*/ /*执行设备的I/O命令*/
/*用于请求将设备内存映射到进程地址空间*/ /*打开设备文件*/ /*关闭设备文件*/
1.5 file结构 file 结构代表一个打开的文件,它的特点是一个文件可以对应多个file结构。它由内核再open时创建,并传递给在该文件上操作的所有函数,直到最后close函数,在文件的所有实例都被关闭之后,内核才释放这个数据结构。 在内核源代码中,指向 struct file 的指针通常比称为filp,file结构有以下几个重要的成员: struct file{ mode_t fmode; /*文件模式,如FMODE_READ,FMODE_WRITE*/ ...... loff_t f_pos; /*loff_t 是一个64位的数,需要时,须强制转换为32位*/ unsigned int f_flags; /*文件标志,如:O_NONBLOCK*/ struct file_operations *f_op; void *private_data; /*非常重要,用于存放转换后的设备描述结构指针*/ ....... };
1.6 inode 结构 内核用inode 结构在内部表示文件,它是实实在在的表示物理硬件上的某一个文件,且一个文件仅有一个inode与之对应,同样它有二个比较重要的成员: struct inode{ dev_t i_rdev; /*设备编号*/ struct cdev *i_cdev; /*cdev 是表示字符设备的内核的内部结构*/ }; 可以从inode中获取主次设备号,使用下面二个宏: /*驱动工程师一般不关心这二个宏*/ unsigned int imajor(struct inode *inode); unsigned int iminor(struct inode *inode);
2.1 Linux字符设备驱动的组成 1、字符设备驱动模块加载与卸载函数 在字符设备驱动模块加载函数中应该实现设备号的申请和cdev 结构的注册,而在卸载函数中应该实现设备号的释放与cdev结构的注销。 我们一般习惯将cdev内嵌到另外一个设备相关的结构体里面,该设备包含所涉及的cdev、私有数据及信号量等等信息。常见的设备结构体、模块加载函数、模块卸载函数形式如下: /*设备结构体*/ struct xxx_dev{ struct cdev cdev; char *data; struct semaphore sem; ...... };
/*模块加载函数*/ static int __init xxx_init(void) { ....... 初始化cdev结构; 申请设备号; 注册设备号;
申请分配设备结构体的内存; /*非必须*/ }
/*模块卸载函数*/ static void __exit xxx_exit(void) { ....... 释放原先申请的设备号; 释放原先申请的内存; 注销cdev设备; }
2、字符设备驱动的 file_operations 结构体重成员函数 /*读设备*/ ssize_t xxx_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { ...... 使用filp->private_data获取设备结构体指针; 分析和获取有效的长度; /*内核空间到用户空间的数据传递*/ copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long count); ...... } /*写设备*/ ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { ...... 使用filp->private_data获取设备结构体指针; 分析和获取有效的长度; /*用户空间到内核空间的数据传递*/ copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count); ...... } /*ioctl函数*/ static int xxx_ioctl(struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg) { ...... switch(cmd){ case xxx_CMD1: ...... break; case xxx_CMD2: ....... break; default: return -ENOTTY; /*不能支持的命令*/ } return 0; }
3、字符设备驱动文件操作结构体模板 struct file_operations xxx_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = xxx_open, .read = xxx_read, .write = xxx_write, .close = xxx_release, .ioctl = xxx_ioctl, .lseek = xxx_llseek, }; 上面的写法需要注意二点,一:结构体成员之间是以逗号分开的而不是分号,结构体字段结束时最后应加上分号。
结束语: 字符驱动的原理分析大概就这么多,下一篇我们详解一个简单字符驱动程序。推荐二本Linux驱动的书给大家,《Linux设备驱动程序》魏永明译,另一本是《Linux设备驱动开发详解》宋宝华著,最后,祝大家学习愉快。
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