字符设备驱动程序

字符设备驱动程序

  • 大多简单的硬件设备都依赖于字符设备驱动程序
  • 参考例程：scull驱动程序
  • 注： 本笔记的内核以4.9.88版本为主

scll设计

  • 设计驱动程序的第一步： 定义驱动程序能够提供的机制，即实现设备的抽象
  • 源代码实现：
    • scull0 ~ scull3： 由全局（多次打开共享数据）且持久（设备关闭后打开数据不会丢失）的内存区域；
    • scullpipe0 ~ scullpipe3： FIFO管道，实现了不借助于中断的阻塞/非阻塞读写；
    • scullsingle、scullpriv、sculluid、scullwuid： 其与scull0类似，但是实现了单进程限制（scullsingle）、控制台/会话私有（scullpriv）、限制单用户打开（sculluid、scullwuid）并返回错误（sculluid）或阻塞（scullwuid）。

主次设备号

  • 设备文件（/dev）：在ls -l输出的第一列中，字符设备为“c”，块为“b”；
  • 主次设备号位置：修改日期前的两个数
  • 一般而言，主设备号表示驱动程序，次设备号指向实现设备（但是其实现实中没有这么严格，可以通过划分主次设备号来实现分区）

设备号内部表达

  • <linux/types.h>中，32位数，前12位主设备号，后20位次设备号。
    typedef __u32 __kernel_dev_t;
typedef __kernel_dev_t		dev_t;
  • 主次设备号（int）和内部表达的转换：MAJOR(dev_t dev); MINOR(dev_t dev); 与 MKDEV(int major, int minor);

分配与释放设备号；

  • 驱动程序注册设备获得设备号：声明：<linux/fs.h>,实现<fs/char_dev.c>
    • int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
      param:起始设备号、设备号范围、设备名称
    • int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
      param：设备号返回值、次设备号基值、设备号范围、设备名称
  • 驱动程序析构时需要释放设备号：
    • void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
      param：次设备号基值、设备号范围

动态分配主设备号

重要的数据结构

  • file_opearations、file、inode
  • 定义位置：<linux/fs.h>

file_opearations

  • 其本质是一种fops
  • __user前缀表示其为用户空间地址，要使用copy from user去完成
  • 核心数据结构：
    • *owner：防止模块操作中释放，一般等于THIS_MODULE
    • llseek:修改读写位置；
    • read：读、read_iter：异步读（4.1版本后）
    • write：写、write_iter：异步写（4.1后）
    • poll：poll、epoll和select后端实现（查询读写阻塞情况）
    • unlocked_ioctl:不持有文件所的ioctl（执行设备特定指令）提高并发效果、compat_ioctl（向后兼容的ioctl，如54位兼容32位）
    • mmap:设备内存映射；
    • open：打开设备文件，可以不是实现，但是系统不会通知应用程序
    • flush：进程关闭设备文件描述符副本时，执行并等待设备操作，如果为NULL，内核会忽略用户请求；
    • release：释放file结构体，和open对应；
    • fsync：刷新数据（常用的是内存数据刷入磁盘）
    • fasync：异步通知；
    • lock：文件锁定；
    • sendpage：发送数据到文件
    • get_unmapped_area：获取在进程地址空间合适位置，便于底层设备内存段的映射（通常由内存管理实现）；
    • check_flags：查看fcntl的标志；
    • flock：文件锁（整个文件）
    • splice_write、splice_read：零拷贝读写
    • 其他：setlease、fallocate、show_fdinfo、mmap_capabilities、copy_file_range、clone_file_range、dedupe_file_range；

file

  • 注：其是一个内核结构，不会出现在用户空间中；
  • 其代表了一个打开的文件，在open时被创建，close被销毁。其指针为filp
  • 重要成员：
    • f_mode：模式（读/写）
    • f_pos：当前读写位置；
    • f_flags：文件标志、阻塞\非阻塞等
    • *f_op操作结构体，其允许方法重载；
    • *private_data：调用时保存状态信息，常用于open和其他函数之间的信息传递
    • *f_inode：所对应的目录项结构

inode结构：

  • 对文件系统的信息，其在文件系统表示实际文件（可能被多个file所指向）
  • 重要成员：
    • i_rdev：设备文件的设备编号；
    • *i_cdev：表示字符设备的内核结构，其与块设备、管道等同时放在一个联合体中以节省内存
  • 从inode中获取设备号：iminor宏和imajor宏

字符设备注册：

open和release

open：

  • 完成工作：初始化设备，检查特定错误/首次打开应该初始化/更新f_ops指针/分配填写filp->private_data中数据结构；
  • 可以使用宏container_of() 将传入inode中的cdev提取出来并提取到设备结构体中，之后将dev指针放入private_data中；
  • 如果使用register， 应该检查inode中主次设备号是否与预期一致（使用iminor宏和imajor宏）；
  • 对于scull而言，由于其不维护打开计数，只维护使用计数，因此没有设备初始化；同时以写方式打开时，其长度被截为0；

release：

  • 完成工作： 释放open分配的内容（filp->private_data中）/最后一次关闭操作时关闭设备
  • 驱动程序
  • scull：无，其没有需要关闭的硬件。

scull的内存使用（本质是对内存的管理）

  • scull的设备：其使用的内存区域，长度可变；
  • 使用Linux内存管理核心函数kmalloc与kfree，其位置在<linux/slab.h>
  • 对大型页面的分配要使用分配页面的相应操作
  • 设备：指针链表，其指向scull_qset结构，一个scull指针指向一个指针数组（1000个），数组指针指向一个内存区域（量子），大小为4000字节。其结构类似链表+页表的形式。量子大小可以通过修改宏（编译）、修改设置（加载），使用iotcl（运行）。
  • 量子大小的默认策略：大多数情况下只有几kb传递；
  • 代码结构：使用scull_qset结构体（二级指针+链表指针）作为链表节点，使用scull_dev保存设备信息+链表头结点。

read和write

-参数： 文件指针，用户缓存，数据长度，偏移量

  • 注意： 在访问用户缓存时，要使用copy_to_user和copy_from_user实现，保护操作系统，其定义在<asm/uaccsee.h>
  • 注意： 要求访问用户空间的任何函数都必须是可重入的，且能够并发执行，其必须能够处于能够合法休眠的状态。这是由于用户空间进程调度决定的。
  • 在已知参数已经检查过时，可以调用内核版本（加入__前缀）；
  • read和write返回值：成功传输字节数，这要求驱动程序必须记住错误的发生。用户空间可以通过访问errno变量查看出错原因；

read

  • 返回值：等于count-成功完成；正的但是小于count-未读取完全，需要重新读取；0-已经到达文件尾；负值-发生错误<linux/errno.h>中实现
  • scull实现：每次调用只处理单一数据量子，超出设备大小返回0，当进程A读取设备时，进程B写入，进程A读取会被截断并返回0。

write

  • 返回值：等于count-成功完成；正的但是小于count-未写入完全，需要重新写入；0-什么也没写入（阻塞）；负值-发生错误<linux/errno.h>中实现
  • scull实现：每次调用只处理单一数据量子，并在写入完成后对文件大小进行更新；写入时使用kmalloc申请空间并使用memset进行初始化；注意在写入时候，该程序会将大于一个量子数据缩小为单一量子大小（可能会影响数据完整性）

readv和writev（现在已经脱离了fop结构体，由vfs_readv来实现，最终会调用read_iter和write_iter）

  • 输入：文件指针 + iovec传输数据块（定义在<linux/uio.h>文件中，其包括用户空间起始地址和长度） + 数据块数量 + 偏移量
  • 驱动程序实现：其iovec的数据被iov_iter中的联合体接收，其他被kiocb结构体接收；

参考文献：

ldd3源代码的各版本实现：https://github.com/duxing2007/ldd3-examples-3.x/tree/linux-4.9.y/scull
内核新的ioctl方式--unlocked_ioctl和compat_ioctl(解决error:unknown field 'ioctl' specified in initializer):
https://blog.csdn.net/gatieme/article/details/71437163
Linux flock()函数--文件锁：https://blog.csdn.net/wteruiycbqqvwt/article/details/112672627
编译驱动时error: ‘struct file’ has no member named ‘f_dentry’：
https://blog.csdn.net/hn2zzzz1996/article/details/79496282
Linux x86_64系统调用简介：https://evian-zhang.github.io/introduction-to-linux-x86_64-syscall/index.html

posted @ 2024-05-22 22:14  David_Dong  阅读(13)  评论(0)  编辑  收藏  举报