Linux字符设备驱动框架详解

Linux字符设备驱动框架详解

所谓驱动程序，本质上讲是硬件接口，因为操作系统不可能实现每种硬件的接口，所以只对厂商提供接口，只要厂商实现这些接口，就可被操作系统调用，Linux系统驱动程序分为字符设备驱动和块设备驱动，所谓字符设备驱动就是例如键盘驱动，只能顺次读取数据，块设备驱动入硬盘等，可以随机分块读取。而有些程序虽然符合驱动程序规范，但却不真正驱动硬件，而是对操作系统功能的扩充，也称作内核模块。所以驱动程序和内核模块本质上讲属于同一种类别。

操作系统对字符设备驱动提供 file_operations 结构，该结构成员大部分都是回调函数（以下代码摘自Linux 2.6.34内核源码）：

struct file_operations {
	struct module *owner;
	loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
	ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
	int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
	unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
	int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
	long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
	int (*open) (struct inode *, struct file *);
	int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
	int (*release) (struct inode *, struct file *);
	int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
	int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
	int (*fasync) (int, struct file *, int);
	int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
	unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
	int (*check_flags)(int);
	int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
	ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
	int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
};

作为驱动程序，只需要实现部分回调函数，注册该结构体，用户态进程便可通过系统调用open，read等调用相应回调函数指针。

首先，系统提供若干宏声明驱动程序的属性，如，入口，作者，描述信息等等。

初始化程序原型为 static int __init initialization(void);若初始化成功则返回0，否则返回错误码。
清理函数原型为static void __exit cleanup(void);其中__init __exit是指定代码段属性的宏，当然也可不指定此属性。

另外宏MODULE_AUTHOR指明作者等等

实现该函数后便可通过宏指明入口点：

module_init(initialization);
module_exit(cleanup);

最简单的驱动程序就是仅仅实现这两个函数，文件simple.c如下:

#include<linux/init.h>
#include<linux/module.h>

static int __init initialization(void)
{
	printk(KERN_INFO " init simple\n");
	return 0;
}

static void __exit cleanup(void)
{
	printk(KERN_INFO " cleanup simple\n");
}

module_init(initialization);
module_exit(cleanup);

MODULE_AUTHOR("alloc cppbreak@gmail.com");
MODULE_DESCRIPTION("A simple linux kernel module");
MODULE_VERSION("V0.1");
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

驱动的编译需要写Makefile文件，内容如下
obj-m := simple.o

编译时需指定Linux内核源码所处位置：
make -C /usr/src/linux M=$PWD modules
其中/usr/src/linux为当前内核源码目录，$PWD为驱动程序所处目录，PWD为当前目录。

执行成功后，会生成simple.ko文件，此文件即为驱动程序。

加载驱动程序可执行 insmod simple.ko 卸载驱动执行 rmmod simple
命令 lsmod 可以查看目前系统加载的驱动程序，modinfo simple.ko 查看程序的基本信息，输出即为程序声明信息：

filename:       simple.ko
license:        Dual BSD/GPL
version:        V0.1
description:    A simple linux kernel module
author:         alloc cppbreak@gmail.com
srcversion:     95E3CE3AB899900656E9CAD
depends:        
vermagic:       2.6.33.3-85.fc13.x86_64 SMP mod_unload

在程序中调用了两次printk，为内核输出函数，这里的输出不会显示到控制台，只会输出到内核，可以通过读取/proc/kmsg文件查看信息，或者调用dmesg命令查看，此为内核跟踪错误的重要手段。KERN_INFO宏只是一个数字字符串，含义为日志级别，可以通过echo num > /proc/sys/kernel/printk 来控制输出信息的级别。

当然，只有此两个函数只能正常加载卸载驱动程序，并没有任何意义，下面通过注册回调函数来实现字符设备的功能，只举一个简单的例子，实现open,read,close函数。

根据file_operations结构成员的原型，这里我们需要实现如下回调：

int (*open) (struct inode *, struct file *);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);

open和close函数为了简单起见不做任何处理，只是简单的输出kernel信息：

int simple_open(struct inode * pnode, struct file * pfile)
{
	printk(KERN_INFO "open simple\n");
	return 0;
}

int simple_release(struct inode * pnode, struct file * pfile)
{
	printk(KERN_INFO "close simple\n");
	return 0;
}