Linux 문자 장치 드라이버 프레임워크: 원리 및 방법

문자 장치는 키보드, 마우스, 직렬 포트 등과 같이 데이터를 바이트 단위로 전송하는 Linux 시스템의 일반적인 장치 유형입니다. 문자 장치 드라이버는 Linux 드라이버 개발의 가장 기본적인 유형이며 장치 번호, 장치 파일, 파일 작업 구조 및 cdev 구조와 같은 개념을 포함합니다. 이 기사에서는 장치 번호 등록 및 등록 취소, 장치 파일 생성 및 삭제, cdev 구조 초기화 및 해제, 파일 작업 기능 구현 및 등록 등을 포함하여 Linux 문자 장치 드라이버 프레임워크의 원리와 방법을 소개합니다. 사용법과 주의사항을 설명하기 위한 예시입니다.

드라이버 모델

리눅스에서는 모든 것이 파일이므로 장치 파일로서 그 작동 방식 인터페이스가 struct file_operations에 캡슐화되어 있습니다. 드라이버를 작성할 때 해당 드라이버를 사용할 수 있도록 해당 인터페이스를 구현해야 합니다. 커널." 등록 + 콜백 메커니즘은 드라이버를 작성하는 데 사용됩니다. 소위 등록 콜백이라는 간단한 이해는 장치 파일을 열 때 실제로 VFS를 통해 해당 inode를 찾고, 다음과 같은 경우 inode에서 등록을 실행한다는 것입니다. 앞서 디바이스 파일을 생성해두었습니다. open 함수는 다른 함수와 동일하므로, 우리가 작성하는 드라이버가 애플리케이션에서 정상적으로 동작하기 위해서는 먼저 해당 메소드를 구현한 후 해당 메소드를 생성해야 합니다. 장치 파일.

으아악

한 마디로, 장치 번호에 대해 정적 애플리케이션을 사용하는 경우 가장 큰 문제는 알려진 장치 번호와 충돌하지 않는다는 것입니다. 커널은 이미 **"Documentation/devices.txt"** 문서에 어떤 주요 장치 번호가 있는지 기록해 두었습니다. 이를 통해 알 수 있듯이 2^12개의 주요 장치 번호 중 사용할 수 있는 범위는 240-255 및 261-2^12-1입니다. 이는 동적으로 적용할 때 이유도 설명할 수 있습니다. 장치 번호는 대개 250입니다. 또한 이 파일을 통해 "주요 장치 번호는 장치의 유형을 나타냅니다"라는 것도 알 수 있지만 문자/블록 장치 자체는 여러 범주로 나눌 수 있으므로 커널은 각 범주에 주요 장치 번호를 할당합니다.

읽기 및 쓰기 구현

Linux의 각 프로세스에는 자체적인 독립적인 프로세스 공간이 있습니다. 커널 데이터가 사용자 프로세스에 매핑되더라도 데이터의 PID는 자동으로 사용자 프로세스의 PID로 변환됩니다. 데이터는 커널 공간과 사용자 공간에서 직접 복사할 수 없으며 특별한 데이터 복사 기능/maros가 필요합니다.

으아악

이 두 함수는 커널 공간의 데이터를 함수를 콜백하는 사용자 프로세스의 사용자 프로세스 공간에 복사할 수 있습니다. 이 두 함수를 사용하면 커널 공간과 커널 공간 간의 데이터 복사를 실현할 수 있습니다. 사용자 공간.

으아악

ioctl 구현

ioctl은 사용자 수준 제어 장치를 위해 Linux에서 특별히 설계된 시스템 호출 인터페이스입니다. 이 인터페이스는 사용자가 명령을 통해 달성할 수 있도록 하는 기능을 ioctl을 통해 구현할 수 있습니다. 해당 함수 포인터는 long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);이며, 여기서 명령과 매개변수는 드라이버에 의해 완전히 지정됩니다. 일반적으로 명령은 애플리케이션 계층과 드라이버 계층이 동일한 통신 프로토콜을 준수하는지 확인하기 위해 헤더 파일에 기록됩니다. 그림에 표시됨) ) 명령

设备类型    序列号     方向      数据尺寸
8bit        8bit    2bit    13/14bit

“

设备类型字段为一个幻数，可以是0~0xff之间的数，内核中的”ioctl-number.txt“给出了一个推荐的和已经被使用的幻数(但是已经好久没人维护了)，新设备驱动定义幻数的时候要避免与其冲突。
序列号字段表示当前命令是整个ioctl命令中的第几个，从1开始计数。
方向字段为2bit，表示数据的传输方向，可能的值是：**_IOC_NONE，_IOC_READ，_IOC_WRITE和_IOC_READ|_IOC_WRITE**。
数据尺寸字段表示涉及的用户数据的大小，这个成员的宽度依赖于体系结构，通常是13或14位。

”

内核还定义了**_IO()，_IOR()，_IOW()，_IOWR()**这4个宏来辅助生成这种格式的命令。这几个宏的作用是根据传入的type(设备类型字段)，nr(序列号字段)和size(数据长度字段)和方向字段移位组合生成命令码。

内核中还预定义了一些I/O控制命令，如果某设备驱动中包含了与预定义命令一样的命令码，这些命令会被当做预定义命令被内核处理而不是被设备驱动处理，有如下4种:

• FIOCLEX:即file ioctl close on exec 对文件设置专用的标志，通知内核当exec()系统带哦用发生时自动关闭打开的文件
• FIONCLEX:即file ioctl not close on exec，清除由FIOCLEX设置的标志
• FIOQSIZE:获得一个文件或目录的大小，当用于设备文件时，返回一个ENOTTY错误
• FIONBIO:即file ioctl non-blocking I/O 这个调用修改flip->f_flags中的O_NONBLOCK标志

实例

//mycmd.h
...
#include 
#define CMDT 'A'
#define KARG_SIZE 36
struct karg{
    int kval;
    char kbuf[KARG_SIZE];
};
#define CMD_OFF _IO(CMDT,0)
#define CMD_ON  _IO(CMDT,1)
#define CMD_R  
 _IOR(CMDT,2,struct karg)
#define CMD_W   _IOW(CMDT,3,struct karg)
...
//chrdev.c
static long demo_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    static struct karg karg = {
        .kval = 0,
        .kbuf = {0},
    };
    struct karg *usr_arg;

    switch(cmd){
    case CMD_ON:
        /* 开灯 */
        break;
    case CMD_OFF:
        /* 关灯 */
        break;
    case CMD_R:
        if(_IOC_SIZE(cmd) != sizeof(karg)){
            return -EINVAL;
        }
        usr_arg = (struct karg *)arg;
        if(copy_to_user(usr_arg, &karg, sizeof(karg))){
            return -EAGAIN;
        }
        break;
    case CMD_W:     
        if(_IOC_SIZE(cmd) != sizeof(karg)){
            return -EINVAL;
        }
        usr_arg = (struct karg *)arg;
        if(copy_from_user(&karg, usr_arg, sizeof(karg))){
            return -EAGAIN;
        }
        break;
    default:
        ;
    };
    return 0;
}

创建设备文件

插入的设备模块，我们就可以使用cat /proc/devices命令查看当前系统注册的设备，但是我们还没有创建相应的设备文件，用户也就不能通过文件访问这个设备。设备文件的inode应该是包含了这个设备的设备号，操作方法集指针等信息，这样我们就可以通过设备文件找到相应的inode进而访问设备。创建设备文件的方法有两种，手动创建或自动创建，手动创建设备文件就是使用mknod /dev/xxx 设备类型 主设备号 次设备号的命令创建，所以首先需要使用cat /proc/devices查看设备的主设备号并通过源码找到设备的次设备号，需要注意的是，理论上设备文件可以放置在任何文件加夹，但是放到**”/dev”才符合Linux的设备管理机制，这里面的devtmpfs是专门设计用来管理设备文件的文件系统。设备文件创建好之后就会和创建时指定的设备绑定，即使设备已经被卸载了，如要删除设备文件，只需要像删除普通文件一样rm**即可。理论上模块名(lsmod),设备名(/proc/devices)，设备文件名(/dev)并没有什么关系，完全可以不一样，但是原则上还是建议将三者进行统一，便于管理。

除了使用蹩脚的手动创建设备节点的方式，我们还可以在设备源码中使用相应的措施使设备一旦被加载就自动创建设备文件，自动创建设备文件需要我们在编译内核的时候或制作根文件系统的时候就好相应的配置:

Device Drivers --->
        Generic Driver Options --->
            [*]Maintain a devtmpfs filesystem to mount at /dev
            [*] Automount devtmpfs at /dev,after the kernel mounted the rootfs

OR
制作根文件系统的启动脚本写入

mount -t sysfs none sysfs /sys
mdev -s //udev也行

有了这些准备，只需要导出相应的设备信息到**”/sys”**就可以按照我们的要求自动创建设备文件。内核给我们提供了相关的API

class_create(owner,name);
struct device *device_create_vargs(struct class *cls, struct device 
*parent,dev_t devt, void *drvdata,const char *fmt, va_list vargs);

void class_destroy(struct class *cls);   
void device_destroy(struct class *cls, dev_t devt);

有了这几个函数，我们就可以在设备的**xxx_init()和xxx_exit()**中分别填写以下的代码就可以实现自动的创建删除设备文件

    /* 在/sys中导出设备类信息 */
    cls = class_create(THIS_MODULE,DEV_NAME);

    /* 在cls指向的类中创建一组(个)设备文件 */
    for(i= minor;i"%s%d",DEV_NAME,i);
    }  
    /* 在cls指向的类中删除一组(个)设备文件 */
    for(i= minor;i

通过本文，我们了解了Linux字符设备驱动框架的原理和方法，它们可以用来实现对字符设备的驱动和控制。我们应该根据实际需求选择合适的方法，并遵循一些基本原则，如使用静态或动态分配的设备号，使用标准或自定义的设备文件名，使用正确或简化的cdev初始化方式等。字符设备驱动框架是Linux驱动开发中最重要的一部分，它可以实现对字符设备的读写操作，也可以提升驱动程序的可移植性和可维护性。希望本文能够对你有所帮助和启发。

위 내용은 Linux 문자 장치 드라이버 프레임워크: 원리 및 방법의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!