一个简单的Linux设备驱动程序

对于一些初学者来说编写Linux设备驱动程序是一个既晦涩又理解的一件事情本文通过一个简单的字符设备的驱动程序来剖析一下Linux设备驱动程序的开发过程。其中本文的一些文字来源于khg，johnsonm的Write linux device driver，Brennan''s Guide to Inline Assembly，The Linux A-Z，还有清华BBS上的有关device driver的一些资料。
现在我们就开始吧：
　　一、实例剖析
我们来写一个最简单的字符设备驱动程序。虽然它什么也不做，但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理。把下面的C代码输入机器，你就会获得一个真正的设备驱动程序。
#define __NO_VERSION__
#include
#include
　　char kernel_version [] = UTS_RELEASE;

　　这一段定义了一些版本信息，虽然用处不是很大，但也必不可少。Johnsonm说所有的驱动程序的开头都要包含，一般来讲最好使用。

　　由于用户进程是通过设备文件同硬件打交道，对设备文件的操作方式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关联起来呢?这需要了解一个非常关键的数据结构：

struct file_operations {

int (*seek) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);
int (*read) (struct inode * ，struct file *， char ，int);
int (*write) (struct inode * ，struct file *， off_t ，int);
int (*readdir) (struct inode * ，struct file *， struct dirent * ，int);
int (*select) (struct inode * ，struct file *， int ，select_table *);
int (*ioctl) (struct inode * ，struct file *， unsined int ，unsigned long);
int (*mmap) (struct inode * ，struct file *， struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode * ，struct file *);
int (*release) (struct inode * ，struct file *);
int (*fsync) (struct inode * ，struct file *);
int (*fasync) (struct inode * ，struct file *，int);
int (*check_media_change) (struct inode * ，struct file *);
int (*revalidate) (dev_t dev);
}

　　这个结构的每一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驱动程序，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_operations的各个域。

　　下面就开始写子程序。

#include
#include
#include
#include
#include
unsigned int test_major = 0;

static int read_test(struct inode *node，struct file *file，char *buf，int count)

{

int left;

if (verify_area(VERIFY_WRITE，buf，count) == -EFAULT )

return -EFAULT;
for(left = count ; left > 0 ; left--)
{
__put_user(1，buf，1);
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。所以不能使用buf这个地址，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。请参考，在向用户空间拷贝数据之前，必须验证buf是否可用。这就用到函数verify_area。
static int write_tibet(struct inode *inode，struct file *file，const char *buf，int count)
{

return count;
}

static int open_tibet(struct inode *inode，struct file *file )
{

MOD_INC_USE_COUNT;
return 0;
}

static void release_tibet(struct inode *inode，struct file *file )
{

MOD_DEC_USE_COUNT;
}

　这几个函数都是空操作。实际调用发生时什么也不做，他们仅仅为下面的结构提供函数指针。

struct file_operations test_fops = {
NULL，
read_test，
write_test，
NULL， /* test_readdir */
NULL，
NULL， /* test_ioctl */
NULL， /* test_mmap */
open_test，
release_test，

NULL， /* test_fsync */
NULL， /* test_fasync */
/* nothing more， fill with NULLs */
};

　　设备驱动程序的主体可以说是写好了。现在要把驱动程序嵌入内核。驱动程序可以按照两种方式编译。一种是编译进kernel，另一种是编译成模块(modules)，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。

int init_module(void)
{
int result;

result = register_chrdev(0， "test"， &test_fops);

if (result < 0) {
printk(KERN_INFO "test: can''t get major number/n");
return result;
}

if (test_major == 0) test_major = result; /* dynamic */
return 0;
}

　在用insmod命令将编译好的模块调入内存时，init_module 函数被调用。在这里，init_module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，如果是零的话，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的指针。

　　如果登记成功，返回设备的主设备号，不成功，返回一个负值。

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。

　　一个极其简单的字符设备可以说写好了，文件名就叫test.c吧。

　　下面编译 :

　　$ gcc -O2 -DMODULE -D__KERNEL__ -c test.c

　　得到文件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

　　ld -r file1.o file2.o -o modulename。

　　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

如果安装成功，在/proc/devices文件中就可以看到设备test，并可以看到它的主设备号。要卸载的话，运行 :
$ rmmod test
　　下一步要创建设备文件。

　　mknod /dev/test c major minor

　　c 是指字符设备，major是主设备号，就是在/proc/devices里看到的。

　　用shell命令

　　$ cat /proc/devices

　　就可以获得主设备号，可以把上面的命令行加入你的shell script中去。

　　minor是从设备号，设置成0就可以了。

　　我们现在可以通过设备文件来访问我们的驱动程序。写一个小小的测试程序。

#include
#include
#include
#include

main()
{
int testdev;
int i;
char buf[10];

testdev = open("/dev/test"，O_RDWR);

if ( testdev == -1 )
{
printf("Cann''t open file /n");
exit(0);
}

read(testdev，buf，10);

for (i = 0; i < 10;i++)

printf("%d/n"，buf[i]);

close(testdev);

}

编译运行，看看是不是打印出全1 ？

　　以上只是一个简单的演示。真正实用的驱动程序要复杂的多，要处理如中断，DMA，I/O port等问题。这些才是真正的难点。