设备管理结构及驱动程序编写实例

第10章 设备管理第一页，共六十二页。第10章 主要内容

本章主要介绍了设备管理方面的有关知识：◆系统管理设备的方式。◆驱动程序运作过程。◆驱动程序的具体实例。第二页，共六十二页。第10章 目录

10.1

设备管理结构

10.2

驱动程序

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驱动程序编写实例第三页，共六十二页。第10章 目录

10.1

设备管理结构

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驱动程序

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驱动程序编写实例第四页，共六十二页。10.1设备管理结构：

设备管理即输入输出子系统，分为上下两部分：1.上层的，与设备无关的，这部分根据输入输出请求，通过特定的设备驱动程序接口，来与设备进行通信。2.下层的，与设备有关的，常称为设备驱动程序，它直接与相应设备打交道，并且向上层提供一组访问接口。概述第五页，共六十二页。10.1设备管理结构：

设备管理的目标是对所有的外接设备进行良好的读、写、控制等操作。

待解决问题：

怎样将任意的一个设备的所有操作进行归纳，设计出统一的接口。内核常常使用设备类型、主设备号和次设备号来标识一个具体的设备。概述第六页，共六十二页。10.1设备管理结构：概述Linux中的设备管理应用了设备文件这个概念来统一设备的访问接口。

简单的说，系统试图使它对所有各类设备的输入、输出看起来就好像对普通文件的输入、输出一样。第七页，共六十二页。

如图10-1所示，应用程序通过Linux的系统调用与内核通信。第八页，共六十二页。10.1设备管理结构：概述

由于Linux中将设备当作文件来处理，所以对设备进行操作的系统调用和对文件操作的类似，主要包括open()、read()、write()、ioctl()、close()等。应用程序发出系统调用指令以后，会从用户态转换到内核态，通过内核将open()这样的系统调用转换成对物理设备的操作。第九页，共六十二页。10.1设备管理结构：

字符设备以字节为单位进行数据处理。字符设备通常只允许按顺序访问，一般不使用缓存技术。如鼠标，声卡等。

块设备以块为单位进行处理，块的大小通常为0.5KB到32KB等。字符设备与块设备第十页，共六十二页。10.1设备管理结构：字符设备与块设备

大多数块设备允许随机访问，而且常常采用缓存技术。块设备有硬盘、光盘驱动器等。可以查看文件/proc/devices获得。这里主要讨论字符设备，有兴趣的读者可参考其它书籍中有关块设备的内容。

第十一页，共六十二页。10.1设备管理结构：

设备管理中，除了设备类型（字符设备或块设备）以外，内核还需要一对称做主、次设备号的参数，才能唯一表示设备。主设备号和次设备号第十二页，共六十二页。10.1设备管理结构：主设备号和次设备号

主设备号（majornumber）相同的设备使用相同的驱动程序，而次设备号(minornumber)用来区分具体设备的实例。

例如：第一IDE接口上的所有磁盘及其分区共用同一主设备号3，而次设备号则为0，1，2，3…。第十三页，共六十二页。10.1设备管理结构：

Linux习惯上将设备文件放在目录/dev或其子目录之下。设备文件命名（通常由两部分组成）规则为：第一部分通常较短，可能只有2或3个字母组成，用来表示设备大类。

例如：普通硬盘如IDE接口的为“hd”,软盘为“fd”。Linux设备命名习惯第十四页，共六十二页。10.1设备管理结构：Linux设备命名习惯

第二部分通常为数字或字母用来区别设备实例。例如：

/dev/hda、/dev/hdb、/dev/hdc表示第一、二、三块硬盘；而dev/hda1、/dev/hda2、/dev/hda3则表示第一硬盘的第一、二、三分区。第十五页，共六十二页。第10章 目录

10.1

设备管理结构

10.2

驱动程序

10.3

驱动程序编写实例第十六页，共六十二页。10.2驱动程序：

在Linux操作系统中驱动程序是操作系统内核与硬件设备之间的桥梁，它屏蔽了硬件的细节(如总线协议、DMA操作等)，在应用程序看来硬件设备只是一个特殊的文件。驱动程序基本功能第十七页，共六十二页。10.2驱动程序：驱动程序基本功能1.对设备初始化和释放。如对音频设备而言包括向内核注册设备，设置音频的输入输出参数(如采样频率、采样宽度等)、分配音频设备使用的内核内存等工作。

2.对设备进行管理。包括实时参数设置以及提供对设备的操作接口。驱动程序的基本功能为：第十八页，共六十二页。10.2驱动程序：驱动程序基本功能

3.读取应用程序传送给设备文件的数据并回送应用程序请求的数据。这需要在用户空间、内核空间、总线及外设之间传输数据。

4.检测和处理设备出现的错误。第十九页，共六十二页。结合大家比较熟悉的键盘来了解其运作过程：第二十页，共六十二页。10.2驱动程序：驱动程序的运作过程

当一个程序读/dev/tty文件(此为键盘)时，就会执行系统调用sys_read()（在fs/read_write.c中），该系统调用在判别出所读文件是一个字符设备文件时，即会调用rw_char()函数（在fs/char_dev.c中），该函数则会根据所读设备的设备类型，主、次设备号等参数，由字符设备读写函数表（设备开关表）调用rw_tty()，最终调用到这里的终端读操作函数tty_read()

第二十一页，共六十二页。10.2驱动程序：驱动程序的运作过程

当用户在键盘上键入了一个字符时，会引起键盘中断响应，此时键盘中断处理程序就会从键盘控制器读入对应的键盘扫描码，然后根据使用的键盘扫描码映射表译成相应字符，放入tty读队列read_q中。第二十二页，共六十二页。10.2驱动程序：驱动程序的运作过程

然后调用中断处理程序的do_tty_interrupt()函数，它又直接调用行规则函数copy_to_cooked()对该字符进行过滤处理，并放入tty辅助队列secondary中，供上述tty_read()读取。第二十三页，共六十二页。10.2驱动程序：驱动程序的运作过程

同时把该字符放入tty写队列write_q中，并调用写控制台函数con_write()。 此时如果该终端的回显(echo)属性是设置的，则该字符会显示到屏幕上（注：do_tty_interrupt()和copy_to_cooked()函数在tty_io.c中实现）。第二十四页，共六十二页。10.2驱动程序：open():打开设备，并初始化设备准备进行操作。可以为NULL，这样每次打开设备总会成功，而且不通知设备驱动程序。

read():从设备中读数据，需要提供字符串指针。

write():向字符设备写数据，需要提供所写内容指针。

ioctl():控制设备，例如控制光盘的弹出等。需要提供符合设备预先定义的命令字。常用接口介绍第二十五页，共六十二页。10.2驱动程序：常用接口介绍llseek():重新定位读、写位置，需要提供偏移量参数。

flush():清除内容。

release():关闭设备，并释放资源等。

mmap():将设备内存映射到进程地址空间。通常只有块设备驱动程序使用。第二十六页，共六十二页。10.2驱动程序：

struct {structmodule*owner; loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int); ssize_t(*read)(structfile*,char*,size_t,loff_t*); ssize_t(*write)(structfile*,constchar *,size_t,loff_t*); int(*readdir)(structfile*,void*,filldir_t);常用函数原型1.设备操作函数原形第二十七页，共六十二页。

unsignedint(*poll)(structfile*,struct poll_table_struct*); int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsigned int,unsignedlong); int(mmap)(structfile*,structvm_area_struct*); int(*open)(structinode*,structfile*); int(*flush)(structfile*); int(*release)(structinode*,structfile*);第二十八页，共六十二页。10.2驱动程序：常用函数原型

int(*fsync)(structdentry*,int datasync); int(*fasync)(int,structfile*,int); int(*lock)(structfile*,intstruct*); ssize_t(*readv)(structfile*,conststructiovec *,unsignedlong,loff_t*); ssize_t(*writev)(structfile*,conststructiovec *,unsignedlong,loff_t*); }第二十九页，共六十二页。10.2驱动程序：常用函数原型 intregister_chrdev(unsignedintmajor,constchar*name,struct*fops) { if(major==0) { write_lock(&chrdevs_lock);2．向系统注册的函数原形第三十页，共六十二页。10.2驱动程序：常用函数原型

for(major=MAX_CHRDEV-1;major>0;major--) { if(chrdevs[major].fops==NULL) { chrdevs[major].name=name; chrdevs[major].fops=fops; write_unlock(&chrdevs_lock); returnmajor; } }第三十一页，共六十二页。10.2驱动程序：常用函数原型

write_unlock(&chrdevs_lock); return-EBUSY; } if(major>MAX_CHRDEV) return-EINVAL; write_lock(&chrdevs_lock);第三十二页，共六十二页。10.2驱动程序：常用函数原型

if(chrdevs[major].fops&&chrdevs[major].fops!=fops) { write_unlock(&chrdevs_lock); return-EBUSY; } chrdevs[major].name=name; chrdevs[major].fops=fops; write_unlock(&chrdevs_lock); return0; }第三十三页，共六十二页。第10章 目录

10.1

设备管理结构

10.2驱动程序

10.3

驱动程序编写实例第三十四页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例

为了更清楚地讲述Linux中设备驱动程序的编写，加深读者对启动程序的了解。下面介绍一个简单的设备驱动的实现过程。由于基于特殊的硬件设备实现的驱动程序难度较大，而且不方便验证，下面举一个虚拟设备驱动程序的例子。第三十五页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：

实现虚拟设备的写入、读出等操作。这个驱动程序并不是基于特定硬件设备的，实际上仅仅是对内存进行读、写操作。设备功能介绍第三十六页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：设备功能介绍

1.函数mydrv_read()的功能是从mybuf[100]中读取字符串，并传递给调用的进程。

2.函数mydrv_write()的功能是将调用的进程传入的字符串赋值给mybuf，如果字符串的长度超过100，则只取前100个字符。

3.函数mydrv_ioctl()中仅仅实现了一个控制功能：清除mybuf存储区。第三十七页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：

首先，要根据设备功能的需要，编写结构中的操作函数。

其次，要向系统注册该设备，包括字符设备的注册，devfs节点的注册与中断响应函数的注册。然后就可以利用对应的文件进行设备操控了。具体如下：具体实现第三十八页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现

#include<linux/module.h> #include<linux/kernel.h> #include<linux/fs.h> #include<linux/types.h> #include<linux/malloc.h> #include<asm/uaccess.h> #include<asm/page.h> #include<linux/ermo.h> #include<linux/config.h>1．源程序:第三十九页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现#defineMYDRV_CLS_IO('c',0x01) //定义清存储区命令字

charmybuf[100]; //存储区域

intmydrv_major=99; //主设备号

devfs_handle_tdev_handle; //保存设备文件系统的注册句柄

//第一步：编写函数第四十页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现ssize_tmydrv_read(structfile*filp,char*buf,size_tcount,loff_t*f_pos);//函数声明

staticssize_tmydrv_write(structfile*filp,constchar*buf,size_tcount,loff_t*ppos); staticintmydrv_ioctl(structinode*inode,structfile*file,unsignedintcmd,unsignedlongarg); intmydrv_open(structinode*inode,structfile*filp); intmydrv_release(structinode*inode,structfile*filp);//函数声明第四十一页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现structmydrv_ops={ //设备函数接口

open:mydrv_open,//实现对设备的操作

read:mydrv_read,write:mydrv_write,ioctl:mydrv_ioctl, release:mydrv_release; }; //mydrv_read()将内核空间的mybuf中的字符串赋给用户空间的buf区第四十二页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现ssize_tmydrv_read(structfile*filp,char*bur,size_tcount,loff_t*f_pos) //filp：指向设备文件的指针；f_pos：偏移量

intlength=strlen(mybuf); if(count>99)count=99; //忽略大于100部分

count=length-*f_pos; //计算字符个数的技巧第四十三页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现if(copy_to_user(buf,mybuf,count)){ //重内核区复制到用户区

printk("errorreading,copy_to_user\n”); retum-EFAULT; } *f_pos+=count;//下一个

retumcount; } //mydtv_write()将用户空间的buf字符串赋给内核空间的mybuf[]数组中第四十四页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现staticssize_tmydrv_write(structfile*filp,constchar*buf,size_tcount,loff_t*ppos){ intnum; num=count<100?count:100; if(copy_from_user(mybuf,buf,num))//mybufbuf return-EFAULT; printk("mydrv_writesucceed!\n”); returnnum; }第四十五页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现staticintmydrv_ioctl(structinode*inode,structfile*file,//如果传人的命令字是

unsignedintcmd,unsignedlongarg){//MYDRV-CLS则清除mybuf数组内容

switch(cmd){ caseMYDRV_CLS: mybuf[0]=0x0; return0; default: return-EINVAL; } } //打开mydrv设备时调用第四十六页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现#defineMAX_MYDRV_DEV2 intmydrv_open(structinode*inode,structfile*filp){//inede:设备文件节点

unsignedintdev=MINOR(inode->i_rdev); if(mydrv_num) return-1;第四十七页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现if(dev>=MAX_MYDRV_DEV) return-ENODEV; filp->f_ap=&mydrv_ops;//指向操作函数

printk(“opensuccess\n”); MOD_INC_USE_COUNT;//只是简单地加1 return0; } //关闭mydrv设备，这里只是将引用次数减1 intmydrv_release(structinode*inode,structfile*filp){ MOD_DEC_USE_COUNT; return0; }第四十八页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现//第二步：向系统注册该设备

//module的安装，采用两种方式进行了设备的注册

intinit_module(void) { intresult; printk(“initing...\n”); result=devfs_register_chrdev(mydrv_major,“mydrv”,&mydrv_ops);第四十九页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现if(result<0){ printk(KERN_WARNING“mydrv:unabletogetmajor%d\n”,mydrv_major); returnresult; } dev_handle=devfs_register(NULL,“mydrv",DEVFS_FL_DEFAULT,99,0, S_IFCHR,&mydrv_ops,NULL); //devfs_register(devfs_handle_tdir,constchar*name,unsignedintflags, //unsignedintmajor,unsignedintminor,umode_tmode,void*ops,void*info)第五十页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现if(mydrv_major:==0) mydrv_major=result; strcpy(mybuf,"Hello,pleasewriteanything(length<100)tomydrv.”); printk(“succeedingettingbuffer\n"); printk("%s\n",mybuf); retum0; } //module的卸载，进行设备的注销第五十一页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现voidcleanup_module(void) { devfs_unregister_chrdev(mydrv_major,“mydrv”); devfs_unregister(dev_handle); printk("exiting...\n"); }第五十二页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现2．设备驱动程序编译和安装

采用下面的命令可以对mydrv.c进行编译：

[root@Linuxroot]#gcc-cmydrv.c–D__KERNEL__-DMODULE-O2-g-Wall-o

如果没有出错的话，将会在本目录下生成一个mydrv.o文件。第五十三页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现

下面的操作必须是以root身份进行的（用命令su转换成root身份）： 先执行模块的插入操作，

[root@Unuxroot]#/sbin/insmodmydrv.o第五十四页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现

如果设备文件系统已经应用起来的话，此时在设备文件系统挂接的目录(通常是／dev)下,就可以找到mydrv文件节点了。如果没有应用设备文件系统，则需要手工为设备添加文件节点：

[root@Linux／dev]#mknodmydrvc990

此时就可以对设备进行读、写、ioctl等操作了。第五十五页，共六十二页。10.3驱动程序编写实例：具体实现

当不再需要对设备进行操作时，可以采用下面的命