Linux下设备管理与驱动程序编写实例课件

第第11章章设备管理设备管理第11章 设备管理1 Linux和其他操作系统一样，支持众多的、各式各样的外接设备。但是，面对层出不穷的新硬件产品，必须有人不断编写新的驱动程序，以便让这些设备能够在 Linux 下正常工作，从这个意义上讲，讲述驱动程序的编写就是一件非常有意义的工作。本章也涉及到Linux下设备管理的原则和方法。Linux和其他操作系统一样，支持众多的、各式各样的2 举例来说，Linux下的驱动程序仅仅是为相应的设备编写几个基本函数，并向VFS注册就可以安装成功了。当应用程序需要设备时，可以访问该设备对应的文件节点，利用VFS调用该设备的相关处理函数。举例来说，Linux下的驱动程序仅仅是为相应的设备编3本章主要介绍了设备管理方面的有关知识：系统管理设备的方式。驱动程序运作过程。驱动程序的具体实例。本章主要介绍了设备管理方面的有关知识：411.1 设备管理结构设备管理结构11.1 设备管理结构511.1.1 概述 设备管理即输入输出子系统，可分为上下两部分：一部分是上层的，与设备无关的，这部分根据输入输出请求，通过特定的设备驱动程序接口，来与设备进行通信。另一部分是下层的，与设备有关的，常称为设备驱动程序，它直接与相应设备打交道，并且向上层提供一组访问接口。11.1.1 概述 设备管理即输入输出子系统，6 设备管理的目标是对所有的外接设备进行良好的读、写、控制等操作。首先要解决的问题就是怎样将任意的一个设备的所有操作进行归纳，设计出统一的接口。内核常常使用设备类型、主设备号和次设备号来标识一个具体的设备。设备管理的目标是对所有的外接设备进行良好的读、写、控7 但用户希望能用同样的应用程序和命令来访问设备和普通文件。为此，Linux中的设备管理应用了设备文件这个概念来统一设备的访问接口。简单的说，系统试图使它对所有各类设备的输入、输出看起来就好像对普通文件的输入、输出一样。但用户希望能用同样的应用程序和命令来访问设备和普通文8 如图11-1所示，应用程序通过Linux的系统调用与内核通信。如图11-1所示，应用程序通过Linux的系统调用与9 由于Linux中将设备当作文件来处理，所以对设备进行操作的系统调用和对文件操作的类似，主要包括open()、read()、write()、ioctl()、close()等。应用程序发出系统调用指令以后，会从用户态转换到内核态，通过内核将open()这样的系统调用转换成对物理设备的操作。由于Linux中将设备当作文件来处理，所以对设备进行1111.1.2 字符设备与块设备字符设备与块设备 字符设备以字节为单位进行数据处理。字符设备通常只允许按顺序访问，一般不使用缓存技术。如鼠标，声卡等。块设备以块为单位进行处理，块的大小通常为0.5KB到32KB等。11.1.2 字符设备与块设备 字符设备以字节12 大多数块设备允许随机访问，而且常常采用缓存技术。块设备有硬盘、光盘驱动器等。可以查看文件/proc/devices获得。我们这里主要讨论字符设备，有兴趣的读者可参考其它书籍中有关块设备的内容。大多数块设备允许随机访问，而且常常采用缓存技术。1311.1.3 主设备号和次设备号主设备号和次设备号 设备管理中，除了设备类型（字符设备或块设备）以外，内核还需要一对称做主、次设备号的参数，才能唯一表示设备。11.1.3 主设备号和次设备号 设备管理中14 主设备号（major number）相同的设备使用相同的驱动程序，而次设备号(minor number)用来区分具体设备的实例。例如，第一IDE接口上的所有磁盘及其分区共用同一主设备号3，而次设备号则为0，1，2，3。主设备号（major number）相同的设备使用相1511.1.4 Linux设备命名习惯设备命名习惯:Linux习惯上将设备文件放在目录/dev或其子目录之下。设备文件命名（通常由两部分组成）规则为：第一部分通常较短，可能只有2或3个字母组成，用来表示设备大类。11.1.4 Linux设备命名习惯:Li16 例如，普通硬盘如IDE接口的为“hd”,软盘为“fd”。第二部分通常为数字或字母用来区别设备实例。例如，/dev/hda、/dev/hdb、/dev/hdc表示第一、二、三块硬盘；而 dev/hda1、/dev/hda2、/dev/hda3则表示第一硬盘的第一、二、三分区。例如，普通硬盘如IDE接口的为“hd”,软盘为“fd1711.2 驱动程序驱动程序11.2 驱动程序1811.2.1 驱动程序基本功能 在Linux操作系统中驱动程序是操作系统内核与硬件设备之间的桥梁，它屏蔽了硬件的细节(如总线协议、DMA操作等)，在应用程序看来硬件设备只是一个特殊的文件。11.2.1 驱动程序基本功能 在Linux19驱动程序的基本功能为：1.对设备初始化和释放。如对音频设备而言包括向内核注册设备，设置音频的输入输出参数(如采样频率、采样宽度等)、分配音频设备使用的内核内存等工作。2.对设备进行管理。包括实时参数设置以及提供对设备的操作接口。驱动程序的基本功能为：203.读取应用程序传送给设备文件的数据并回送应用程序请求的数据。这需要在用户空间、内核空间、总线及外设之间传输数据。4.检测和处理设备出现的错误。3.读取应用程序传送给设备文件的数据并回送应用程序请求的2111.2.2 驱动程序的运作过程 为了便于读者理解，在此结合大家比较熟悉的键盘来了解其运作过程。如图11-2所示.11.2.2 驱动程序的运作过程 为了便于读者22 当一个程序读/dev/tty文件(此为键盘)时，就会执行系统调用sys_read()（在fs/read_write.c中），该系统调用在判别出所读文件是一个字符设备文件时，即会调用rw_char()函数（在fs/char_dev.c中），该函数则会根据所读设备的设备类型，主、次设备号等参数，由字符设备读写函数表（设备开关表）调用rw_tty()，最终调用到这里的终端读操作函数tty_read()当一个程序读/dev/tty文件(此为键盘)时，就会24 当用户在键盘上键入了一个字符时，会引起键盘中断响应，此时键盘中断处理程序就会从键盘控制器读入对应的键盘扫描码，然后根据使用的键盘扫描码映射表译成相应字符，放入tty读队列read_q中。当用户在键盘上键入了一个字符时，会引起键盘中断响应，25 然后调用中断处理程序的do_tty_interrupt()函数，它又直接调用行规则函数copy_to_cooked()对该字符进行过滤处理，并放入tty辅助队列secondary中，供上述tty_read()读取。然后调用中断处理程序的do_tty_interrup26 同时把该字符放入tty写队列write_q中，并调用写控制台函数con_write()。此时如果该终端的回显(echo)属性是设置的，则该字符会显示到屏幕上（注：do_tty_interrupt()和copy_to_cooked()函数在tty_io.c中实现）。同时把该字符放入tty写队列write_q中，并调用2711.2.2 常用接口介绍open():打开设备，并初始化设备准备进行操作。可以为NULL，这样每次打开设备总会成功，而且不通知设备驱动程序。read():从设备中读数据，需要提供字符串指针。write():向字符设备写数据，需要提供所写内容指针。ioctl():控制设备，例如控制光盘的弹出等。需要提供符合设备预先定义的命令字。11.2.2 常用接口介绍open():28llseek():重新定位读、写位置，需要提供偏移量参数。flush():清除内容。release():关闭设备，并释放资源等。mmap():将设备内存映射到进程地址空间。通常只有块设备驱动程序使用。llseek():重新定位读、写位置，需要提供偏移量2911.2.3 常用函数原型1.1.设备操作函数原形设备操作函数原形struct file_operationsstruct file_operations struct module*owner;struct module*owner;loff_t(*llseek)(struct file*,loff_t,int);loff_t(*llseek)(struct file*,loff_t,int);ssize_t(*read)(struct file*,char*,size_t,loff_t*);ssize_t(*read)(struct file*,char*,size_t,loff_t*);ssize_t(*write)(struct file*,const char ssize_t(*write)(struct file*,const char*,size_t,loff_t*);*,size_t,loff_t*);int(*readdir)(struct file*,void*,filldir_t);int(*readdir)(struct file*,void*,filldir_t);11.2.3 常用函数原型1.设备操作函数原形30unsigned int(*poll)(struct file*,struct unsigned int(*poll)(struct file*,struct poll_table_struct*);poll_table_struct*);int(*ioctl)(struct inode*,struct file*,unsigned int(*ioctl)(struct inode*,struct file*,unsigned int,unsigned long);int,unsigned long);int(mmap)(struct file*,struct vm_area_struct*);int(mmap)(struct file*,struct vm_area_struct*);int(*open)(struct inode*,struct file*);int(*open)(struct inode*,struct file*);int(*flush)(struct file*);int(*flush)(struct file*);int(*release)(struct inode*,struct file*);int(*release)(struct inode*,struct file*);unsigned int(*poll)(struct f31int(*fsync)(struct file,struct dentry*,int int(*fsync)(struct file,struct dentry*,int datasync);datasync);int(*fasync)(int,struct file*,int);int(*fasync)(int,struct file*,int);int(*lock)(struct file*,int struct file_lock*);int(*lock)(struct file*,int struct file_lock*);ssize_t(*readv)(struct file*,const struct iovec ssize_t(*readv)(struct file*,const struct iovec*,unsigned long,loff_t*);*,unsigned long,loff_t*);ssize_t(*writev)(struct file*,const struct iovec ssize_t(*writev)(struct file*,const struct iovec*,unsigned long,loff_t*);*,unsigned long,loff_t*);int(*fsync)(struct file,s322向系统注册的函数原形int register_chrdev(unsigned int major,const char*name,struct file_operations*fops)if(major=0)write_lock(&chrdevs_lock);2向系统注册的函数原形33for(major=MAX_CHRDEV-1;major0;major-)for(major=MAX_CHRDEV-1;major0;major-)if(chrdevsmajor.fops=NULL)if(chrdevsmajor.fops=NULL)chrdevsmajor.name=name;chrdevsmajor.name=name;chrdevsmajor.fops=fops;chrdevsmajor.fops=fops;write_unlock(&chrdevs_lock);write_unlock(&chrdevs_lock);return major;return major;for(major=MAX_CHRDEV-1;major34write_unlock(&chrdevs_lock);return-EBUSY;if(majorMAX_CHRDEV)return-EINVAL;write_lock(&chrdevs_lock);write_unlock(&chrdevs_lock);35if(chrdevsmajor.fops&if(chrdevsmajor.fops&chrdevsmajorchrdevsmajor.fops!=fops)fops!=fops)write_unlock(&chrdevs_lock);write_unlock(&chrdevs_lock);return-EBUSY;return-EBUSY;chrdevsmajor.name=name;chrdevsmajor.name=name;chrdevsmajor.fops=fops;chrdevsmajor.fops=fops;write_unlock(&chrdevs_lock);write_unlock(&chrdevs_lock);return 0;return 0;if(chrdevsmajor.fops&chr3611.3 驱动程序编写实例驱动程序编写实例 为了更清楚地讲述Linux中设备驱动程序的编写，加深读者对启动程序的了解。下面介绍一个简单的设备驱动的实现过程。由于基于特殊的硬件设备实现的驱动程序难度较大，而且不方便验证，下面举一个虚拟设备驱动程序的例子。11.3 驱动程序编写实例 为了更清楚地讲述3711.3.1 设备功能介绍 实现虚拟设备的写入、读出等操作。这个驱动程序并不是基于特定硬件设备的，实际上仅仅是对内存进行读、写操作。11.3.1 设备功能介绍 实现虚拟设备的写入38 当执行写入操作时，将会对特定的存储空间进行写入；当执行读出操作时，将会对该存储空间进行数据的读取；同时还可以利用ioctl进行清除该存储空间的操作。这个mydrv设备的实现文件是mydrv.c，其中的文件接口flle_operations提供了mydrv_open、mydrv_release、mydrv_read、mydrv_write、mydrv_ioctl等函数。当执行写入操作时，将会对特定的存储空间进行写入；当执391.函数mydrv_read()的功能是从mybuf110中读取字符串，并传递给调用的进程。2.函数mydrv_write()的功能是将调用的进程传入的字符串赋值给mybuf，如果字符串的长度超过110，则只取前110个字符。3.函数mydrv_ioctl()中仅仅实现了一个控制功能：清除mybuf存储区。1.函数mydrv_read()的功能是从mybuf14011.3.2 具体实现 首先，要根据设备功能的需要，编写file_operations结构中的操作函数。其次，要向系统注册该设备，包括字符设备的注册，devfs节点的注册与中断响应函数的注册。然后就可以利用对应的文件进行设备操控了。具体如下：11.3.2 具体实现 首先，要根据设备功能的411 1源程序源程序#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include#include 1源程序 42#define MYDRV_CLS_IO(c,0 x01)/定义清存储区命令字char mybuf110;/存储区域int mydrv_major=99;/主设备号devfs_handle_t dev_handle;/保存设备文件系统的注册句柄/第一步：编写file_operations函数#define MYDRV_CLS_IO(c,043ssize_t ssize_t mydrv_readmydrv_read(struct file*filp,char*buf,(struct file*filp,char*buf,size_t count,loff_t*f_pos);size_t count,loff_t*f_pos);/函数声明函数声明static ssize_t static ssize_t mydrv_writemydrv_write(struct file*filp,const(struct file*filp,const char*buf,size_t count,loff_t*ppos);char*buf,size_t count,loff_t*ppos);static int static int mydrv_ioctlmydrv_ioctl(struct inode*inode,struct(struct inode*inode,struct file*file,unsigned int cmd,unsigned long arg);file*file,unsigned int cmd,unsigned long arg);int int mydrv_openmydrv_open(struct inode*inode,struct file (struct inode*inode,struct file*filp);*filp);int int mydrv_releasemydrv_release(struct inode*inode,struct(struct inode*inode,struct file*filp);file*filp);/函数声明函数声明ssize_t mydrv_read(struct fil44struct struct file_operations mydrv_opsfile_operations mydrv_ops=/设备函数接口设备函数接口 open:mydrv_open,open:mydrv_open,/实现对设备的操作实现对设备的操作 read:mydrv_read,read:mydrv_read,write:mydrv_write,write:mydrv_write,ioctl:mydrv_ioctl,ioctl:mydrv_ioctl,release:mydrv_release;release:mydrv_release;/mydrv_read()/mydrv_read()将内核空间的将内核空间的mybufmybuf中的字符串赋中的字符串赋给用户空间的给用户空间的bufbuf区区struct file_operations mydrv_45ssize_t mydrv_read(struct file*filp,char*bur,size_t count,loff_t*f_pos)/filp：指向设备文件的指针；f_pos：偏移量int length=strlen(mybuf);if(count 99)count=99;/忽略大于110部分count=length-*f_pos;/计算字符个数的技巧ssize_t mydrv_read(struct fil46if(copy_to_user(buf,mybuf,count)if(copy_to_user(buf,mybuf,count)/重内核区复制到用户区重内核区复制到用户区 printk(error reading,copy_to_usern”);printk(error reading,copy_to_usern”);retum-EFAULT;retum-EFAULT;*f_pos+=count;*f_pos+=count;/下一个下一个retum count;retum count;/mydtv_write()/mydtv_write()将用户空间的将用户空间的bufbuf字符串赋给内核字符串赋给内核空间的空间的mybuf mybuf 数组中数组中if(copy_to_user(buf,mybuf,c47static ssize_t static ssize_t mydrv_writemydrv_write(struct file*filp,const(struct file*filp,const char*buf,size_t count,loff_t*ppos)char*buf,size_t count,loff_t*ppos)int num;int num;num=count110?count:110;num=counti_rdev);if(mydrv_num)return-1;#define MAX_MYDRV_DEV 250if(dev =MAX_MYDRV_DEV)if(dev =MAX_MYDRV_DEV)return-ENODEV;return-ENODEV;filp-f_ap=&mydrv_ops;filp-f_ap=&mydrv_ops;/指向操作函数指向操作函数printk(“open successn”);printk(“open successn”);MOD_INC_USE_COUNT;MOD_INC_USE_COUNT;/只是简单地加只是简单地加1 1return 0;return 0;/关闭关闭mydrvmydrv设备，这里只是将引用次数减设备，这里只是将引用次数减1 1int int mydrv_releasemydrv_release(struct inode*inode,struct(struct inode*inode,struct file*filp)file*filp)MOD_DEC_USE_COUNT;MOD_DEC_USE_COUNT;return 0;return 0;if(dev =MAX_MYDRV_DEV)51/第二步：向系统注册该设备第二步：向系统注册该设备第二步：向系统注册该设备第二步：向系统注册该设备/module/module的安装，采用两种方式进行了设备的注册的安装，采用两种方式进行了设备的注册int init_module(void)int init_module(void)int result;int result;printk(“initing.n”);printk(“initing.n”);result=result=devfs_register_chrdevdevfs_register_chrdev(mydrv_major,(mydrv_major,“mydrv”,&mydrv_ops);“mydrv”,&mydrv_ops);/第二步：向系统注册该设备52if(result 0)if(result 0)printk(KERN_WARNING“mydrv:unable to get printk(KERN_WARNING“mydrv:unable to get major%d n”,mydrv_major);major%d n”,mydrv_major);return result;return result;dev_handle=dev_handle=devfs_register(devfs_register(NULL,“mydrv,NULL,“mydrv,DEVFS_FL_DEFAULT,99,0,DEVFS_FL_DEFAULT,99,0,S_IFCHR,&mydrv_ops,NULL);S_IFCHR,&mydrv_ops,NULL);/devfs_register(devfs_handle_t dir,const char/devfs_register(devfs_handle_t dir,const char*name,unsigned int flags,*name,unsigned int flags,/unsigned int major,unsigned int minor,umode_t/unsigned int major,unsigned int minor,umode_t mode,void*ops,void*info)mode,void*ops,void*info)if(result 0)53if(mydrv_major:=0)mydrv_major=result;strcpy(mybuf,Hello,please write anything(length 110)to mydrv.”);printk(“succeed in getting buffer n);printk(%s n,mybuf);retum 0;/module的卸载，进行设备的注销if(mydrv_major:=0)54void cleanup_module(void)devfs_unregister_chrdev(mydrv_major,“mydrv”);devfs_unregister(dev_handle);printk(exiting.n);void cleanup_module(void)552设备驱动程序编译和安装采用下面的命令可以对mydrv.c进行编译：rootLinux root#gcc-c mydrv.c D_KERNEL_-DMODULE-O2-g-Wall-o 如果没有出错的话，将会在本目录下生成一个mydrv.o文件。2设备驱动程序编译和安装56 下面的操作必须是以root身份进行的（用命令su转换成root身份）：先执行模块的插入操作，rootUnuxroot#/sbin/insmod mydrv.o 下面的操作必须是以root身份进行的（用命令su转换57 如果设备文件系统已经应用起来的话，此时在设备文件系统挂接的目录(通常是dev)下,就可以找到mydrv文件节点了。如果没有应用设备文件系统，则需要手工为设备添加文件节点：rootLinuxdev#mknod mydrv c 99 0 此时就可以对设备进行读、写、ioctl等操作了。如果设备文件系统已经应用起来的话，此时在设备文件系统58 当不再需要对设备进行操作时，可以采用下面的命令卸载模块：rootLinuxdev#/sbin/rmmod mydrv 当不再需要对设备进行操作时，可以采用下面的命令卸载模593设备的使用下面的小程序可以对任何文件进行先写后读的操作：#include int main()FILE*fp;char bufl00;printf(Please input file name:);scanf(%s,buf);3设备的使用60if(fp=fopen(buf,wb)=NULL)/buf:文件名；wb:模式（只写、二进制）printf(Could not opened!n);return-1;else printf(File open ok!n);printf(Please input(110):);scanf(%s,buf);if(fp=fopen(buf,wb)=61 if(fputs(buf,fp)=EOF)printf(Error writing file!);return-2;fgets(but,110,fp);/由文件读取一字符串 printf(the File content is:%s n,buf);fclose(fp);return 0;if(fputs(buf,fp)=EOF)62 直接用gcc编译生成可执行文件之后，就可以用该程序对mydrv设备的文件节点进行操作。当然，也可以采用cat命令得到mydrv设备的输出内容。直接用gcc编译生成可执行文件之后，就可以用该程序对6311.4 本章小结本章小结 本章主要介绍了设备管理方面的有关知识.首先介绍了系统是怎样来管理设备的，即把设备看作一种的特殊的文件，从而实现了对设备的有关操作。然后，说明了驱动程序运作过程。最后，结合一个具体实例，阐明了驱动程序的具体的编写方法。11.4 本章小结 本章主要介绍了设备管理方面64练习题1.操作系统是怎么实现对设备进行管理的？2.举出5个驱动程序的常用接口函数。3.编写驱动程序一般有几个步骤，具体各是什么？练习题1.操作系统是怎么实现对设备进行管理的？65