Linux设备驱动程序设计实例

导读：
　　Linux系统中，设备驱动程序是操作系统内核的重要组成部分，在 与硬件设备之间
　　建立了标准的抽象接口。通过这个接口，用户可以像处理普通文件一样，对硬件设
　　备进行打开(open)、关闭(close)、读写(read/write)等操作。通过分析和设计设
　　备驱动程序，可以深入理解Linux系统和进行系统开发。本文通过一个简单的例子
　　来说明设备驱动程序的设计。
　　1、　　 程序清单
　　//　　　　　　MyDev.c　　　　　 2000年2月7日编写
　　#ifndef __KERNEL__
　　#　define __KERNEL__　　//按内核模块编译
　　#endif
　　#ifndef MODULE
　　#　define MODULE　　　　　　　　//设备驱动程序模块编译
　　#endif
　　#define DEVICE_NAME "MyDev"　　
　　#define OPENSPK 1
　　#define CLOSESPK 2
　　//必要的头文件
　　#include

　　　　//同kernel.h,最基本的内核模块头文件
　　#include

　//同module.h,最基本的内核模块头文件
　　#include

　//这里包含了进行正确性检查的宏
　　#include

　　 //文件系统所必需的头文件
　　#include 　//这里包含了内核空间与用户空间进行数据交换时的
　　函数宏
　　#include 　　　//I/O访问
　　int my_major=0;　　　　　　　　 //主设备号
　　static int Device_Open=0;
　　static char Message[]="This is from device driver";
　　char *Message_Ptr;
　　int my_open(struct inode *inode, struct file *file)
　　{//每当应用程序用open打开设备时，此函数被调用
　　printk ("/ndevice_open(%p,%p)/n", inode, file);
　　if (Device_Open)
　　return -EBUSY;　　　//同时只能由一个应用程序打开
　　Device_Open++;
　　MOD_INC_USE_COUNT;　　//设备打开期间禁止卸载
　　return 0;
　　}
　　static void　my_release(struct inode *inode, struct file *file)
　　{//每当应用程序用close关闭设备时，此函数被调用
　　printk ("/ndevice_release(%p,%p)/n", inode, file);
　　Device_Open --;
　　MOD_DEC_USE_COUNT;　　//引用计数减1
　　}
　　ssize_t　my_read (struct file *f,char *buf,int size,loff_t off)
　　{//每当应用程序用read访问设备时，此函数被调用
　　int bytes_read=0;　　　
　　#ifdef DEBUG
　　printk("/nmy_read is called. User buffer is %p,size is %d/n",buf,size);
　　#endif
　　if (verify_area(VERIFY_WRITE,buf,size)==-EFAULT)
　　return -EFAULT;
　　Message_Ptr=Message;
　　while(size && *Message_Ptr)
　　{　　　
　　if(put_user(*(Message_Ptr++),buf++))　　//写数据到用户空间
　　return -EINVAL;
　　size --;
　　bytes_read++;
　　}
　　return bytes_read;
　　}
　　ssize_t my_write (struct file *f,const char *buf, int size,loff_t off)
　　{//每当应用程序用write访问设备时，此函数被调用
　　int i;
　　unsigned char uc;
　　#ifdef DEBUG
　　printk("/nmy_write is called. User buffer is %p,size is %d/n",buf,size);
　　#endif
　　if (verify_area(VERIFY_WRITE,buf,size)==-EFAULT)
　　return -EFAULT;
　　printk("/nData below is from user program:/n");
　　for (i=0;i　　if(!get_user(uc,buf++)) //从用户空间读数据
　　printk("%02x ",uc);
　　return size;
　　}
　　int my_ioctl(struct inode *inod,struct file *f,unsigned int arg1,
　　unsigned int arg2)
　　{//每当应用程序用ioctl访问设备时，此函数被调用
　　#ifdef DEBUG
　　printk("/nmy_ioctl is called. Parameter is %p,size is %d/n",arg1);
　　#endif
　　switch (arg1)
　　{
　　case OPENSPK:
　　printk("/nNow,open PC's speaker./n");
　　outb(inb(0x61)|3,0x61); //打开计算机的扬声器
　　break;
　　case CLOSESPK:
　　printk("/nNow,close PC's speaker.");
　　outb(inb(0x61)&0xfc,0x61);//关闭计算机的扬声器
　　break;
　　}
　　}
　　
　　struct file_operations my_fops = {
　　NULL,　　　　　/* lseek */
　　my_read,
　　my_write,
　　NULL,
　　NULL,
　　my_ioctl,
　　NULL,
　　my_open,
　　my_release,
　　/* nothing more, fill with NULLs */
　　};
　　int init_module(void)
　　{//每当装配设备驱动程序时，系统自动调用此函数
　　int result;
　　result = register_chrdev(my_major,DEVICE_NAME,&my_fops);
　　if (result < 0) return result;
　　if (my_major == 0)
　　my_major = result;
　　printk("/nRegister Ok. major-number=%d/n",result);
　　return 0;
　　}
　　void cleanup_module(void)
　　{//每当卸载设备驱动程序时，系统自动调用此函数
　　printk("/nunload/n");
　　unregister_chrdev(my_major, DEVICE_NAME);
　　}
　　2、　　 设备　　驱动程序设计
　　Linux设备分为字符设备、块设备和网络设备。字符设备是不需要缓冲而直接
　　读写的设备，如串口、键盘、鼠标等，本例就是字符设备驱动程序；块设备的访问
　　通常需要缓冲来支持，以数据块为单位来读写，如磁盘设备等；网络设备是通过套
　　接字来访问的特殊设备。
　　1) 设备驱动程序和内核与应用程序的接口
　　无论哪种类型的设备，Linux都是通过在内核中维护特殊的设备控制块来与设
　　备驱动程序接口的。在字符设备和块设备的控制块中，有一个重要的数据结构
　　file_operations，该结构中包含了驱动程序提供给应用程序访问硬件设备的各种
　　方法，其定义如下（参见fs.h）：
　　struct file_operations {
　　loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
　　//响应应用程序中lseek调用的函数指针
　　ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
　　//响应应用程序中read调用的函数指针
　　ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
　　//响应应用程序中write调用的函数指针
　　int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); //响应应用程序中
　　readdir调用的函数指针
　　unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
　　//响应应用程序中select调用的函数指针
　　int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
　　//响应应用程序中ioctl调用的函数指针
　　int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
　　//响应应用程序中mmap调用的函数指针
　　int (*open) (struct inode *, struct file *);　　
　　//响应应用程序中open调用的函数指针
　　int (*flush) (struct file *);　　　　　　　
　　int (*release) (struct inode *, struct file *);
　　//响应应用程序中close调用的函数指针
　　int (*fsync) (struct file *, struct dentry *);　
　　int (*fasync) (int, struct file *, int);
　　int (*check_media_change) (kdev_t dev);
　　int (*revalidate) (kdev_t dev);
　　int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
　　};
　　多数情况下，只需为上面结构中的少数方法编写服务函数，其他均设为NULL即可。
　　每一个可装配的设备驱动程序都必须有init_module和cleanup_module两个函数，
　　装载和卸载设备时内核自动调用这两个函数。在init_module中，除了可以对硬件
　　设备进行检查和初始化外，还必须调用register_* 函数将设备登记到系统中。本
　　例中是通过register_chrdev来登记的，如果是块设备或网络设备则应该用
　　register_blkdev和register_netdev来登记。Register_chrdev 的主要功能是将设
　　备名和结构file_operations登记到系统的设备控制块中。
　　2) 与应用程序的数据交换
　　由于设备驱动程序工作在内核存储空间，不能简单地用"="、"memcpy"等方法与应
　　用程序交换数据。在头文件uaccess.h中定义了方法put_user(x, ptr)和
　　get_user(x, ptr)，用于内核空间与用户空间的数据交换。值x的类型根据指针
　　ptr的类型确定，请参见源代码中的my_read与my_write函数。
　　3) 与硬件设备的接口
　　Linux中为设备驱动程序访问I/O端口、硬件中断和DMA提供了简便方法，相应的头
　　文件分别为io.h、irq.h、dma.h。由于篇辐限制，本例中只涉及到I/O端口访问。
　　Linux提供的I/O端口访问方法主要有：inb()、inw()、outb()、outw()、inb_p()
　　、inw_p()、outb_p()、outw_p()等。要注意的是，设备驱动程序在使用端口前，
　　应该先用check_region()检查该端口的占用情况，如果指定的端口可用，则再用
　　request_region()向系统登记。说明check_region()、request_region()的头文件
　　是ioport.h。
　　4) 内存分配
　　设备驱动程序作为内核的一部分，不能使用虚拟内存，必须利用内核提供的
　　kmalloc()与kfree()来申请和释放内核存储空间。Kmalloc()带两个参数，第一个
　　要申请的是内存数量，在早期的版本中，这个数量必须是2的整数幂，如128、256
　　。关于kmalloc()与kfree()的用法，可参考内核源程序中的malloc.h与slab.c程序
　　。
　　3、程序的编译和访问
　　本例在Linux 2.2.x.x中可以成功编译和运行。先用下面的命令行进行编译：
　　gcc -Wall -O2 -c MyDev.c
　　该命令行中参数-Wall告诉编译程序显示警告信息；参数-O2是关于代码优化的设置
　　，注意内核模块必须优化；参数-c规定只进行编译和汇编，不进行连接。
　　正确编译后，形成MyDev.o文件。可以输入命令insmod MyDev.o来装载此程序。如
　　果装配成功，则显示信息：Register Ok.major-number=xx。利用命令lsmod可以看
　　到该模块被装配到系统中。
　　为了访问该模块，应该用命令mknode来创建设备文件。下面的应用程序可以对创建
　　的设备文件进行访问。
　　#include 　　#include
　　#include
　　#define DEVICE_NAME MyDev
　　#define OPENSPK 1
　　#define CLOSESPK 2
　　char buf[128];
　　int main(){
　　int f=open(DEVICE_NAME,O_RDRW);
　　if (f==-1) return 1;
　　printf("/nHit enter key to read device...");
　　read(f,buf,128);　printf(buf);
　　printf("/nHit enter key to write device ...");
　　write(f,"test",4);
　　printf("/nHit enter key to open PC's speaker...");
　　ioctl(f,OPENSPK);
　　printf("/nHit enter key to close PC's speaker...");
　　ioctl(f,CLOSESPK);
　　close(f);
　　}
　　
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本文转自
http://blog.csdn.net/howard000/archive/2007/10/18/1831132.aspx