驱动入门

gongbingqing

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驱动入门：一个简单的字符设备驱动
           首先我要向大家推荐一下韦东山老师的视频，他在视频里讲解的非常的好，把代码分析的非常的透彻，而且他会在视频里现场写出每一个程序的代码，而不是从其他的地方拿一个程序过来分析就完事，所以我们可以跟着他一步一步的学习linux程序设计。
我就按照这几天在视频里从韦老师那儿学到的方法，讲一下写简单字符设备的流程，以在书上看到的globalmem这样的一个虚拟设备为例。这个设备的功能是在内核空间里分配4K字节的内存，在驱动中提供如何访问和操作这块内存的函数，以供用户空间的进程通过系统调用来访问这块内存。我们可以把它看成是最大容量为4K的普通文件。我们要能够像打开普通文件一样打开它，读取其中的内容，或向其中写入数据，定位到文件的某个位置处，清空其中的内容，然后关闭打开的文件。我们的应用程序只需要通过系统调用open()、read()、write()、lseek()、ioctl()、release()。而不用去管它是一个普通文件还是一个字符设备。
第一步、包含进文件中所需的头文件，和宏定义，声明全局变量，并定义一个设备结构体。
#include
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#include

#define GLOBALMEM_SIZE        0x1000        /*全局内存最大4K字节*/
#define MEM_CLEAR 0x1  /*清0全局内存*/
#define GLOBALMEM_MAJOR 254    /*预设的globalmem的主设备号*/

static int globalmem_major = GLOBALMEM_MAJOR;
/*globalmem设备结构体*/
struct globalmem_dev                                    
{                                                        
  struct cdev cdev; /*cdev结构体*/                       
  unsigned char mem[GLOBALMEM_SIZE]; /*全局内存*/        
};
第二步、写出驱动框架。
static const struct file_operations globalmem_fops =
{
  .owner = THIS_MODULE,
  .llseek = globalmem_llseek,
  .read = globalmem_read,
  .write = globalmem_write,
  .ioctl = globalmem_ioctl,
  .open = globalmem_open,
  .release = globalmem_release,
};
file_operations结构体里面有很多的函数，但并非要实现其中所有的成员函数。要根据实际的需要向file_operations里添加成员函数，这里实现6个函数。
第三步、分别实现file_operations里的每个函数。
/*文件打开函数*/
int globalmem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  return 0;  /*这里只是为了讲解大概的流程，不做其他的工作，直接返回*/
}
/*文件释放函数*/
int globalmem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  return 0;  /*这里只是为了讲解大概的流程，不做其他的工作，直接返回*/
}

/*读函数，读取其中的内容并返回读取的大小*/
static ssize_t globalmem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size,
  loff_t *ppos)
{
  unsigned long p =  *ppos;  /*当前指针所在的位置*/
  unsigned int count = size;   /*要读取的大小*/
  int ret = 0;              
  /*分析和获取有效的写长度*/
  if (p >= GLOBALMEM_SIZE)  /*如果当前指针已经到设备最尾端*/
    return count ?  - ENXIO: 0;  /*要读取的大小不为0，则返回出错信息*/
  if (count > GLOBALMEM_SIZE - p) /*如果还有可读取的数据不够conut大小*/
    count = GLOBALMEM_SIZE - p; /*返回conut个数据*/

  /*内核空间->用户空间*/
  if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->mem + p), count)) /*用户的地址空间和内核空间的不能直接传输数据，必须通过copy_to_user  copy_from_user来在两个地址空间中传递数据 */
  {
    ret =  - EFAULT;
  }
  else
  {
    *ppos += count;
    ret = count;
   
    printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p);
  }
  return ret;
}
/*写函数*/
static ssize_t globalmem_write(struct file *filp, const char __user *buf,
  size_t size, loff_t *ppos)
{
  unsigned long p =  *ppos;
  unsigned int count = size;
  int ret = 0;

  /*分析和获取有效的写长度*/
  if (p >= GLOBALMEM_SIZE)  /*没有可写的空间了*/
    return count ?  - ENXIO: 0;  /*如果要写非零个数据，则返回出错信息*/
  if (count > GLOBALMEM_SIZE - p)
    count = GLOBALMEM_SIZE - p;
   
  /*用户空间->内核空间*/
  if (copy_from_user(dev->mem + p, buf, count))
    ret =  - EFAULT;
  else
  {
    *ppos += count;
    ret = count;
   
    printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);
  }

  return ret;
}

/* seek文件定位函数 */
static loff_t globalmem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int orig)
{
  loff_t ret = 0;
  switch (orig)
  {
    case 0:   /*相对文件开始位置偏移*/
      if (offset < 0)
      {
        ret =  - EINVAL;
        break;
      }
      if ((unsigned int)offset > GLOBALMEM_SIZE)
      {
        ret =  - EINVAL;
        break;
      }
      filp->f_pos = (unsigned int)offset;
      ret = filp->f_pos;
      break;
    case 1:   /*相对文件当前位置偏移*/
      if ((filp->f_pos + offset) > GLOBALMEM_SIZE)
      {
        ret =  - EINVAL;
        break;
      }
      if ((filp->f_pos + offset) < 0)
      {
        ret =  - EINVAL;
        break;
      }
      filp->f_pos += offset;
      ret = filp->f_pos;
      break;
    default:
      ret =  - EINVAL;
      break;
  }
  return ret;
}

/* ioctl设备控制函数 ，这里只是实现一个清空该内存的命令*/
static int globalmem_ioctl(struct inode *inodep, struct file *filp, unsigned
  int cmd, unsigned long arg)
{
  switch (cmd)
  {
    case MEM_CLEAR:
      memset(dev->mem, 0, GLOBALMEM_SIZE);      
      printk(KERN_INFO "globalmem is set to zero\n");
      break;

    default:
      return  - EINVAL;
  }
  return 0;
}

第四步、实现注册和卸载函数
到这里我们看似已经实现设备的功能了，但是应用程序还不能够使用它，因为还没有注册该设备，所以我们要把这个设备加载进内核，相对应的当我们不需要该设备了的时候就应该把它从内核卸载掉。在模块加载函数中完成的功能主要有：申请设备号、注册cdev设备结构体。相应的卸载函数中就应该卸载cdev设备结构体，释放设备号。
/*初始化并注册cdev*/
static void globalmem_setup_cdev(struct globalmem_dev *dev, int index)
{
  int err, devno = MKDEV(globalmem_major, index);

  cdev_init(&dev->cdev, &globalmem_fops);
  dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
  dev->cdev.ops = &globalmem_fops;
  err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
  if (err)
    printk(KERN_NOTICE "Error %d adding LED%d", err, index);
}
/*设备驱动模块加载函数*/
int globalmem_init(void)
{
  int result;
  dev_t devno = MKDEV(globalmem_major, 0);

  /* 申请设备号*/
  if (globalmem_major)
    result = register_chrdev_region(devno, 1, "globalmem");
  else  /* 动态申请设备号 */
  {
    result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "globalmem");
    globalmem_major = MAJOR(devno);
  }  
  if (result < 0)
    return result;
   
  /* 动态申请设备结构体的内存*/
  globalmem_devp = kmalloc(sizeof(struct globalmem_dev), GFP_KERNEL);
  if (!globalmem_devp)    /*申请失败*/
  {
    result =  - ENOMEM;
    goto fail_malloc;
  }
  memset(globalmem_devp, 0, sizeof(struct globalmem_dev));
  
  globalmem_setup_cdev(globalmem_devp, 0);
  return 0;

  fail_malloc: unregister_chrdev_region(devno, 1);
  return result;
}

/*模块卸载函数*/
void globalmem_exit(void)
{
  cdev_del(&globalmem_devp->cdev);   /*注销cdev*/
  kfree(globalmem_devp);     /*释放设备结构体内存*/
  unregister_chrdev_region(MKDEV(globalmem_major, 0), 1); /*释放设备号*/
}

第五步、声明一些必要的信息。
我们看看前面的加载和卸载函数，它们与另外的几个函数并没有什么特别之处，当我们加载驱动的时候，内核怎么知道要调用globalmem_init()函数，在卸载驱动时怎么知道调用globalmem_exit()呢？所以我们应该向内核指示它们就是入口和出口函数，这就宏module_init()和module_exit()的作用。
module_init(globalmem_init);
module_exit(globalmem_exit);
除此之外我们还必须声明我们的驱动遵循的license,不然会报错。
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
到这里我们的这个简单的设备就写好了。