Linux下字符设备驱动程序的结构

首先,希望可以明确一下概念:

1、 要说的是,驱动,必然是与内核紧密相连的底层程序;并且接口对用户是不可见的。所以你要想到的是如何把驱动和内核联系起来,第一个就想到了模块(modules),模块就像一个载体,一个容器,通过它,会把你写好的程序插入(装载)到内核可见的区域,从而使内核感知到你的驱动的存在,然后用户空间才能通过系统调用的形式联系到驱动,从而完成它的任务,所以你首要了解模块。

2、 驱动位于OS之下,为OS提供硬件操作(当然驱动也有可能不是针对硬件的)的逻辑和底层抽象的封装,所以他要上下兼顾,上边必须符合OS的驱动调用接口,下边要处理好硬件的操作。

3、 Linux比较特殊,把所有的设备都抽象成了文件,这样的话操作接口会比较统一,并且给开发也带来了很大的方便。Linux下设备文件有三种:字符设备、块设备、网络设备。

简单的介绍一下做一个驱动(字符设备驱动)需要做哪些:

1、 表征设备存在的结构体cdev:

struct cdev{
struct kobject kobj; /* 内嵌的kobject对象*/
struct module *owner; /*所属模块*/
struct file_operations *ops; /*文件操作结构体*/
struct list_head list;
dev_t dev; /*设备号,为32 位,其中高12 位为主设备号,低20 位为次设备号*/
unsigned int count;
};

整个过程都是围绕着这个结构体在进行。对他的各元素赋值并通过模块加载到内核即可。我们逐一的说明一下。
对于,kobject的初始化是在cdev_init里边完成的,它在Fs/Char_dev.c :

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
{
memset(cdev, 0, sizeof *cdev);
INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);
kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);
cdev->ops = fops;
}

这里连带着把kobject、list_head、file_operations也都做了赋值或初始化;这里做为参数你要有一个file_operations来用于赋值,,而file_operations包含了对该字符设备进行操作的所有可能用到的函数(接口)。从而就引出了file_operations,它是整个字符驱动的核心,也是要把所有处理逻辑绑定的对象:

static const struct file_operations globalmem_fops={
.owner = THIS_MODULE,
.read = globalmem_read,
.write = globalmem_write,
.open = globalmem_open,
.release = globalmem_release,
};

这里是个简单的例子,我们要做的就是实现那些等号后边的函数,并对其赋值。下边是file_operations的原型,很完备的接口,只用实现你用到的就可以了(在include/linux/fs.h中):

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 **);
};

        到这里,通过cdev的初始化,我们已经把你写的逻辑和cdev联系起来了(通过file_operations),然后通过:

cdev.owner = THIS_MODULE;

直接复制把cdev和当前模块联系了起来。然后是通过:

dev_t devno =MKDEV(222,0);

       用MKDEV宏生成一个主设备号222,此设备号0的dev_t类型的设备号变量devno,之后是把设备号和设备结构体cdev关联起来,这样设备才能间接找到它的处理函数,用这个来完成关联:

cdev_add(&dev->cdev,devno,1);

        well,设备结构体准备好了,和具体的设备号也约定好了(这样属于该类型的设备会直接来找它进行具体的处理),另外,也和当前模块挂接好了,还差一步就是让内核知道它的存在,用下边的函数:

register_chrdev_region(devno,1,"globalmem");

把当前设备注册到内核,这个和cdev没有关系,只是对虚拟设备globalmem进行内核的注册,而他们联系的纽带就是devno。当然对应的还有注销函数:

unregister_chrdev_region(devno,1);

他们一般是成对出现的。

这样就差不多了,整个过程及原理也就是这样了,更详细的,可以好好品读一下Linux驱动开发详解的第六章。讲得非常详细。另外看一下另外一篇blog,【Linux下第一个驱动程序】,是一个实例,并附有大量说明,这样应该可以建立一个初步的概念。然后就是循循渐进了,哈哈。

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