《趣谈linux操作系统》小结(二十七) - 字符设备驱动

字符设备驱动

鼠标和打印机都是字符设备，对应的驱动代码分别在drivers/input/mouse/logibm.c、drivers/char/lp.c文件中。

module_init(logibm_init);
module_exit(logibm_exit);


module_init(lp_init_module);
module_exit(lp_cleanup_module);

内核模块

驱动作为一个内核模块， 通过使用insmod加载到内核， 可以使用命令lsmod查看已经加载的内核。

构建一个内核模块需要几个部分：

第一、头文件部分

一般内核需要包含2个头文件，当然也可以包含更多其他头文件

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

第二、定义一些函数，用于处理内核模块的主要逻辑。

例如打开、关闭、读取、写入设备的函数或者响应中断的函数。

第三部分，定义一个 file_operations 结构

设备要想被文件系统的接口操作，也需要类似的接口。

第四部分，定义整个模块的初始化函数和退出函数

用于加载和卸载这个 ko 的时候调用。

第五部分，调用 module_init 和 module_exit

分别指向上面两个初始化函数和退出函数。

第六部分，声明一下 lisense，调用 MODULE_LICENSE。

有了以上六个部分，模块就可以工作了。

打开字符设备

使用字符设备，首先要写一个内核模块，然后通过insmod加载该模块， 加载模块会调用module_init调用的初始化函数。例如，在 lp.c 的初始化函数 lp_init 对应的代码如下

static int __init lp_init (void)
{
......
  if (register_chrdev (LP_MAJOR, "lp", &lp_fops)) {
    printk (KERN_ERR "lp: unable to get major %d\n", LP_MAJOR);
    return -EIO;
  }
......
}


int __register_chrdev(unsigned int major, unsigned int baseminor,
          unsigned int count, const char *name,
          const struct file_operations *fops)
{
  struct char_device_struct *cd;
  struct cdev *cdev;
  int err = -ENOMEM;
......
  cd = __register_chrdev_region(major, baseminor, count, name);
  cdev = cdev_alloc();
  cdev->owner = fops->owner;
  cdev->ops = fops;
  kobject_set_name(&cdev->kobj, "%s", name);
  err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, baseminor), count);
  cd->cdev = cdev;
  return major ? 0 : cd->major;
}

字符设备驱动的内核模块加载的时候，首先会注册这个字符设备。调用 __register_chrdev_region，注册字符设备的主次设备号(在major.h定义好了)和名称，然后分配一个 struct cdev 结构，将 cdev 的 ops 成员变量指向这个模块声明的 file_operations。然后，cdev_add 会将这个字符设备添加到内核中一个叫作 struct kobj_map *cdev_map 的结构，来统一管理所有字符设备。

其中，MKDEV(cd->major, baseminor) 表示将主设备号和次设备号生成一个 dev_t 的整数，然后将这个整数 dev_t 和 cdev 关联起来。

这里对于鼠标这种输入设备，又被封装了一层， 通过input.c来管理。

内核模块加载完毕后，接下来要通过 mknod 在 /dev 下面创建一个设备文件，只有有了这个设备文件，我们才能通过文件系统的接口，对这个设备文件进行操作。mknod会让设备和这个文件关联起来， 创建一个inode节点，保存文件的操作最终调用的是设备的操作。打开的话， 从文件系统的open, 一直到调用驱动的open，打开设备。

写入字符设备

对于文件的读写操作也和文件的读写操作一样，只是最终调用到的是驱动的读写函数。

使用 IOCTL 控制设备

对于 I/O 设备来讲，我们前面也说过，除了读写设备，还会调用 ioctl，做一些特殊的 I/O 操作。

SYSCALL_DEFINE3(ioctl, unsigned int, fd, unsigned int, cmd, unsigned long, arg)
{
  int error;
  struct fd f = fdget(fd);
......
  error = do_vfs_ioctl(f.file, fd, cmd, arg);
  fdput(f);
  return error;
}

ioctl也是一个系统调用。

其中，fd 是这个设备的文件描述符，cmd 是传给这个设备的命令，arg 是命令的参数。其中，对于命令和命令的参数，使用 ioctl 系统调用的用户和驱动程序的开发人员约定好行为即可。

其实 cmd 看起来是一个 int，其实他的组成比较复杂，它由几部分组成：最低八位为 NR，是命令号；然后八位是 TYPE，是类型；然后十四位是参数的大小；最高两位是 DIR，是方向，表示写入、读出，还是读写。这里了解一下就ok了， 用的时候可以查一下文档。

ioctl 中会调用 do_vfs_ioctl，这里面对于已经定义好的 cmd，进行相应的处理。如果不是默认定义好的 cmd，则执行默认操作。对于普通文件，调用 file_ioctl；对于其他文件调用 vfs_ioctl。

调用的是 struct file 里 file_operations 的 unlocked_ioctl 函数。我们前面初始化设备驱动的时候，已经将 file_operations 指向设备驱动的 file_operations 了。这里调用的是设备驱动的 unlocked_ioctl。对于打印机程序来讲，调用的是 lp_ioctl。

好了， 这里也终于了解了ioctl这个系统调用了，以前和驱动联调的时候，也都是通过这个函数来调用的。 理顺了。

内核模块编译

linux内核使用的是kbuild编译系统，在编译可加载模块时，其makefile的风格和常用的编译C程序的makefile有所不同，尽管如此，makefile的作用总归是给编译器提供编译信息。

网上看到了一个相关的文章， 后续有用再查查

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