2017-2018-1 20155315 《信息安全系统设计基础》实验四 外设驱动程序设计

实验内容

• 学习资源中全课中的“hqyj.嵌入式Linux应用程序开发标准教程.pdf”中的第十一章
• 在Ubuntu完成资源中全课中的“hqyj.嵌入式Linux应用程序开发标准教程.pdf”中的第十一章的test试验

实验知识点

• linux设备驱动
• 设备驱动与外界接口
  • LCD设备驱动
  • 块设备驱动
• test试验

实验步骤

（一）学习linux设备驱动

• 模块相关命令
  • lsmod列出当前系统中加载的模块，其中左边第一列是模块名，第二列是该模块大小，第三列则是该模块使用的数量。
  • rmmod是用于将当前模块卸载。
  • nsmod和modprobe是用于加载当前模块，但insmod不会自动解决依存关系，而modprobe则可以根据模块间依存关系以及/etc/modules.conf文件中的内容自动插入模块。
  • mknod是用于创建相关模块。
• Linux输入/输出系统中各层次结构和功能
• 设备驱动程序与外界的接口
  
  • 驱动程序与操作系统内核的接口：这是通过数据结构file_operations（在本书后面会有详细介绍）来完成的。
  • 驱动程序与系统引导的接口：这部分利用驱动程序对设备进行初始化。
  • 驱动程序与设备的接口：这部分描述了驱动程序如何与设备进行交互，这与具体设备密切相关。
• 笔记：
  
  
  
  

（二）test试验

• 该实验是编写最简单的字符驱动程序，这里的设备也就是一段内存，实现简单的读写功能，并列出常用格式的Makefile以及驱动的加载和卸载脚本。读者可以熟悉字符设备驱动的整个编写流程。
• 编写代码：

 /* test_drv.c */
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#define     TEST_DEVICE_NAME    "test_dev"
#define        BUFF_SZ                1024

/*全局变量*/
static struct cdev test_dev;
unsigned int major =0;
static char *data = NULL;

/*读函数*/
static ssize_t test_read(struct file *file, 
char *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
    int len;
    if (count < 0 )
    {
        return -EINVAL;
    }
    len = strlen(data);
    count = (len > count)?count:len;
    if (copy_to_user(buf, data, count)) /* 将内核缓冲的数据拷贝到用户空间*/
    {
        return -EFAULT;
    }
    return count;
}

/*写函数*/
static ssize_t test_write(struct file *file, const char *buffer, 
size_t count, loff_t *f_pos)
{
    if(count < 0)
    {
        return -EINVAL;
    }
    memset(data, 0, BUFF_SZ);
        count = (BUFF_SZ > count)?count:BUFF_SZ;
    if (copy_from_user(data, buffer, count)) /* 将用户缓冲的数据复制到内核空间*/
    {
        return -EFAULT;
    }
    return count;
}

/*打开函数*/
static int test_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("This is open operation\n");
    
    /* 分配并初始化缓冲区*/
    data = (char*)kmalloc(sizeof(char) * BUFF_SZ, GFP_KERNEL);
    if (!data)
    {
        return -ENOMEM;
    }
    memset(data, 0, BUFF_SZ); 
    return 0;
}

/*关闭函数*/
static int test_release(struct inode *inode,struct file *file)

{
    printk("This is release operation\n");
    if (data)
    {
        kfree(data); /* 释放缓冲区*/
        data = NULL; /* 防止出现野指针 */
    }
    return 0;
}

/* 创建、初始化字符设备，并且注册到系统*/
static void test_setup_cdev(struct cdev *dev, int minor,
        struct file_operations *fops)
{
    int err, devno = MKDEV(major, minor);
    cdev_init(dev, fops);
    dev->owner = THIS_MODULE;
    dev->ops = fops;
    err = cdev_add (dev, devno, 1);
    if (err)
    {
        printk (KERN_NOTICE "Error %d adding test %d", err, minor);
    }
}

/* 虚拟设备的file_operations结构 */
static struct file_operations test_fops = 
{
    .owner   = THIS_MODULE,
    .read    = test_read,
    .write   = test_write,
    .open    = test_open,
    .release = test_release,
};

/*模块注册入口*/
int init_module(void)
{
    int result;
    dev_t dev = MKDEV(major, 0);
    if (major)
    {/* 静态注册一个设备，设备号先前指定好，并设定设备名，用cat /proc/devices来查看 */
        result = register_chrdev_region(dev, 1, TEST_DEVICE_NAME);
    }
    else 
    {
        result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, TEST_DEVICE_NAME);
    }
    if (result < 0) 
    {
        printk(KERN_WARNING "Test device: unable to get major %d\n", major);
        return result;
    }
    test_setup_cdev(&test_dev, 0, &test_fops);
    printk("The major of the test device is %d\n", major);
    return 0;
}

/*卸载模块*/
void cleanup_module(void) 
{
    cdev_del(&test_dev);

    unregister_chrdev_region(MKDEV(major, 0), 1);

    printk("Test device uninstalled\n");
}

• 编译代码：Makefile

 ifeq ($(KERNELRELEASE),)
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build /*内核代码编译路径*/
PWD := $(shell pwd)
modules:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
modules_install:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_install
clean:
    rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions
.PHONY: modules modules_install clean
else
    obj-m := test_drv.o    /* 将生成的模块为test_drv.ko*/
endif

• 加载脚本：

 #!/bin/sh
 
# 驱动模块名称
module="test_drv"    

# 设备名称。在/proc/devices中出现
device="test_dev"    

# 设备文件的属性
mode="664"            
group="david"        

# 删除已存在的设备节点
rm -f /dev/${device} 

# 加载驱动模块
/sbin/insmod -f ./$module.ko $* || exit 1

# 查到创建设备的主设备号
major=`cat /proc/devices | awk "\\$2==\"$device\" {print \\$1}"`

# 创建设备文件节点
mknod /dev/${device} c $major 0

# 设置设备文件属性
chgrp $group /dev/${device}
chmod $mode  /dev/${device}

• 卸载脚本：

 #!/bin/sh
module="test_drv"    
device="test_dev"

# 卸载驱动模块
/sbin/rmmod $module $* || exit 1

# 删除设备文件
rm -f /dev/${device}

exit 0

• 测试代码：

 /* test.c */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#define TEST_DEVICE_FILENAME        "/dev/test_dev"        /* 设备文件名*/
#define BUFF_SZ 1024                /* 缓冲大小 */

int main()
{
    int fd, nwrite, nread;
    char buff[BUFF_SZ];        /*缓冲区*/

    /* 打开设备文件 */
    fd = open(TEST_DEVICE_FILENAME, O_RDWR);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open");
        exit(1);
    }
    do
    {
        printf("Input some words to kernel(enter 'quit' to exit):");
        memset(buff, 0, BUFF_SZ);
        if (fgets(buff, BUFF_SZ, stdin) == NULL)
        {
            perror("fgets");
            break;
        }
        buff[strlen(buff) - 1] = '\0';
        if (write(fd, buff, strlen(buff)) < 0) /* 向设备写入数据 */
        {
            perror("write");
            break;
        }
        if (read(fd, buff, BUFF_SZ) < 0)        /* 从设备读取数据 */
        {
            perror("read");
            break;
        }
        else
        {
            printf("The read string is from kernel:%s\n", buff);
        }
    } while(strncmp(buff, "quit", 4));
    close(fd);
    exit(0);
}

• 运行截图：
  

• 主要问题：一开始make的时候总是出现“没有可以为了什么做”的错误，重新make clean、make之后就可以了，但是在编译的时候总是找不到文件，需要加上运行权限运行才可以。

PSP时间统计

步骤	耗时	百分比
需求分析	10min	10%
设计	20min	20%
代码实现	50min	50%
测试	10min	10%
总结分析	10min	10%