揭开字符设备驱动程序的面纱

1、Linux驱动开发庖丁解牛之三揭开字符设备驱动程序的面纱By:dreamice 2008-11-231写在前面的话       我们知道，在Linux设备驱动开发中，包括三大设备类：字符设备，块设备和网络设备。而字符设备，作为最简单的设备类，为此，我们将从最简单的字符设备开始，走进Linux驱动程序设计的神秘殿堂。我们已经踏上了真正的设备驱动开发的道路了！有志者，事竟成。付出越多，而上苍定会以同等的收获回馈于你，当然，最重要的一点是：我们必须走上正确的道路，做正确的付出。开始吧参考书目：Linux Device Driver第三版Understandin

2、g the linux kernel第三版Linux设备驱动开发详解2必备之“砖”        盖大楼，得预先准备好砖头。同样的道理，要写好驱动程序，我们也必须准备好自己的“砖头”，拿好这些砖头，便会真正如庖丁解牛般，游刃于Linux驱动程序设计的神奇艺术之中。在Linux的设计之初，曾提出：一切皆文件，如果一个东西不是文件，那就是进程。由此可见，文件的概念在Linux系统中可谓是根深蒂固，以至于它深入到对驱动程序的控制，这也是情理之中的事。下图描述了Linux系统中虚拟文件系统和进程之间的关系：图表 1进程和文件系统的关系在上图中

3、，我们看到了Process，File object，dentry object，inode object以及Sperblock object等概念。Process就是指一个特定的进程，而File obeject对应于进程打开的一个文件；dentry object描述了一个目录项；inode object则对应于磁盘上一个特定的文件；Sperblock object描述了文件系统的相关信息。从这个图中，可以看到进程到磁盘上一个文件实体的路径及对应关系。下面，我们一次看看这些实体结构在内核中的定义。2.1 File object       File结构代表

4、一个打开的文件，系统中每个打开的文件，在内核空间都对应一个file结构。它由内核在调用open时创建，并传递给在该文件上操作的所有函数，直到最后的close函数。在文件的所有实例都被关闭以后，内核才会释放这个结构。在内核中，通常以filp来代表指向file结构的指针。File结构的详细定义如下：/linux/fs.h779 struct file 780         /*781          * fu_list becomes invalid after file_f

5、ree is called and queued via782          * fu_rcuhead for RCU freeing783          */784         union 785                 struct list_head   

6、;     fu_list;786                 struct rcu_head         fu_rcuhead;787          f_u;788         struct path     &

7、#160;       f_path;789 #define f_dentry        f_path.dentry790 #define f_vfsmnt        f_path.mnt791         const struct file_operations    *f_op; /与文件操作相关的函数指针结构792   

8、      atomic_t                f_count;793         unsigned int            f_flags;794         mode_t      

9、0;           f_mode;795         loff_t                  f_pos;796         struct fown_struct      f_owner;797   

10、60;     unsigned int            f_uid, f_gid;798         struct file_ra_state    f_ra;799800         u64                

11、     f_version;801 #ifdef CONFIG_SECURITY802         void                    *f_security;803 #endif804         /* needed for tty driver, and maybe others *

12、/805         void                    *private_data;806807 #ifdef CONFIG_EPOLL808         /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */809   &#

13、160;     struct list_head        f_ep_links;810         spinlock_t              f_ep_lock;811 #endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */812         struct

14、address_space    *f_mapping;813 ;1166 /*1167  * NOTE:1168  * read, write, poll, fsync, readv, writev, unlocked_ioctl and compat_ioctl1169  * can be called without the big kernel lock held in all filesystems.1170  */1171 struct file_operations 1172

15、60;        struct module *owner;1173         loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);1174         ssize_t (*read) (struct file *, char _user *, size_t, loff_t *);1175         ssiz

16、e_t (*write) (struct file *, const char _user *, size_t, loff_t *);1176         ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);1177         ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsig

17、ned long, loff_t);1178         int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);1179         unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);1180         int (*ioctl) (struct inode *, struct f

18、ile *, unsigned int, unsigned long);1181         long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);1182         long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);1183         i

19、nt (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);1184         int (*open) (struct inode *, struct file *);1185         int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);1186         int (*release) (struct inode *,

20、 struct file *);1187         int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);1188         int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);1189         int (*fasync) (int, struct file *, int);1190

21、60;        int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);1191         ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);1192         unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file

22、 *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);1193         int (*check_flags)(int);1194         int (*dir_notify)(struct file *filp, unsigned long arg);1195         int (*flock) (struct file *

23、, int, struct file_lock *);1196         ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);1197         ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned

24、 int);1198         int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock *);1199 ;其中，蓝色字体标出部分，为与驱动程序最为密切的部分。由于很多书中都对这些结构体做了详细的阐述，这里就不再赘述了。2.2 inode object        内核用inode结构在内部表示文件，它和file结构的不同之处在于：file表示打开的文件描述符，对单个文件，可能有多个表示打开的文件描述符的file结构，

25、但他们都指向同一个inode结构。Inode结构的详细定义如下：593 struct inode 594         struct hlist_node       i_hash;595         struct list_head        i_list;596         struct list_h

26、ead        i_sb_list;597         struct list_head        i_dentry;598         unsigned long           i_ino;599      

27、60;  atomic_t                i_count;600         unsigned int            i_nlink;601         uid_t           &

28、#160;       i_uid;602         gid_t                   i_gid;603         dev_t                   i_rd

29、ev;604         u64                     i_version;605         loff_t                  i_size;606 #ifdef _NEED_I

30、_SIZE_ORDERED607         seqcount_t              i_size_seqcount;608 #endif609         struct timespec         i_atime;610         

31、;struct timespec         i_mtime;611         struct timespec         i_ctime;612         unsigned int            i_blkbits;613   &

32、#160;     blkcnt_t                i_blocks;614         unsigned short          i_bytes;615         umode_t         

33、        i_mode;616         spinlock_t              i_lock; /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */617         struct mutex         &

34、#160;  i_mutex;618         struct rw_semaphore     i_alloc_sem;619         const struct inode_operations   *i_op;/inode操作函数集合620         const struct file_operations 

35、60; *i_fop; /* former ->i_op->default_file_ops */621         struct super_block      *i_sb;622         struct file_lock        *i_flock;623         struct

36、 address_space    *i_mapping;624         struct address_space    i_data;625 #ifdef CONFIG_QUOTA626         struct dquot            *i_dquotMAXQUOTAS;627 #endif628    

37、;     struct list_head        i_devices;629         union 630                 struct pipe_inode_info  *i_pipe;631         

38、60;       struct block_device     *i_bdev;632                 struct cdev             *i_cdev;633         634   

39、60;     int                     i_cindex;635636         _u32                   i_generation;637638 #ifdef CONFIG_DNOTIFY639&#

40、160;        unsigned long           i_dnotify_mask; /* Directory notify events */640         struct dnotify_struct   *i_dnotify; /* for directory notifications */641 #endif642643 #ifdef CONFIG_IN

41、OTIFY644         struct list_head        inotify_watches; /* watches on this inode */645         struct mutex            inotify_mutex;  /* protects the watches

42、 list */646 #endif647648         unsigned long           i_state;649         unsigned long           dirtied_when;   /* jiffies of first dirtying */65

43、0651         unsigned int            i_flags;652653         atomic_t                i_writecount;654 #ifdef CONFIG_SECURITY655     

44、0;   void                    *i_security;656 #endif657         void                    *i_private; /* fs or device priva

45、te pointer */658 ;2.3 Super block object        Super block object对应于一个特定的文件系统，通常对应于存放在磁盘扇区中的文件系统超级块或文件系统控制块，而对于非基于文件系统的文件，他们会在使用现场创建超级块，并将其保存到内存中。一下是结构体的详细描述：981 struct super_block 982         struct list_head      

46、0; s_list;         /* Keep this first */983         dev_t                   s_dev;          /* search index; _not_ kdev_t */984    

47、;     unsigned long           s_blocksize;985         unsigned char           s_blocksize_bits;986         unsigned char      

48、;     s_dirt;987         unsigned long long      s_maxbytes;     /* Max file size */988         struct file_system_type *s_type;989         const stru

49、ct super_operations   *s_op;990         struct dquot_operations *dq_op;991         struct quotactl_ops     *s_qcop;992         const struct export_operations *s_export_op;993 

50、        unsigned long           s_flags;994         unsigned long           s_magic;995         struct dentry      

51、     *s_root;996         struct rw_semaphore     s_umount;997         struct mutex            s_lock;998         int   &

52、#160;                 s_count;999         int                     s_syncing;1000         int    

53、60;               s_need_sync_fs;1001         atomic_t                s_active;1002 #ifdef CONFIG_SECURITY1003         void   

54、0;                *s_security;1004 #endif1005         struct xattr_handler    *s_xattr;10061007         struct list_head        s_inodes;  &

55、#160;    /* all inodes */1008         struct list_head        s_dirty;        /* dirty inodes */1009         struct list_head        s_io;&#

56、160;          /* parked for writeback */1010         struct list_head        s_more_io;      /* parked for more writeback */1011         struct hlist_head&

57、#160;      s_anon;         /* anonymous dentries for (nfs) exporting */1012         struct list_head        s_files;10131014         struct block_device   

58、  *s_bdev;1015         struct mtd_info         *s_mtd;1016         struct list_head        s_instances;1017         struct quota_info 

59、     s_dquot;        /* Diskquota specific options */10181019         int                     s_frozen;1020         wait_queu

60、e_head_t       s_wait_unfrozen;10211022         char s_id32;                          /* Informational name */10231024         voi

61、d                    *s_fs_info;     /* Filesystem private info */10251026         /*1027          * The next field is for VFS *only*. No filesystems

62、have any business1028          * even looking at it. You had been warned.1029          */1030         struct mutex s_vfs_rename_mutex;        /* Kludge */10311032    

63、;     /* Granularity of c/m/atime in ns.1033            Cannot be worse than a second */1034         u32                s_time_gran;10351036      

64、;   /*1037          * Filesystem subtype.  If non-empty the filesystem type field1038          * in /proc/mounts will be 'type.subtype'2.4 Identry object        Linux中把目录也当作文件，为了方便查找操作，虚拟文件系统（VFS）引入了目录项的概念。每个dentry代表路径中一个特定部分。由于驱动程序很少涉及到dentry，所以在这里就不做描述了。3. 实例剖析Linux字符设备驱动程序        Linux的变化真的是太快了。当我们还在研读最新版的LDD3（基于内核）时，而实际上，它的驱动程序框架结构已经发生了很大的变化。当我还在投入的学习scull示例驱动程序的时候，我发现，对于编写一个字符设备驱动程序，已经有了新的变化。原本打算