linux字符设备驱动专业课程设计方案报告

一、课程设计目标Linux系统开源性使其在嵌入式系统开发中得到了越来越广泛应用，但其本身并没有对种类繁多硬件设备全部提供现成驱动程序，尤其是因为工程应用中灵活性，其驱动程序更是难以统一，这时就需开发一套适合于自己产品设备驱动。对用户而言，设备驱动程序隐藏了设备具体细节，对多种不一样设备提供了一致接口，通常来说是把设备映射为一个特殊设备文件，用户程序能够像对其它文件一样对此设备文件进行操作。经过这次课程设计能够了解linux模块机制，知道怎样加载模块和卸载模块，深入熟悉模块相关操作。加深对驱动程序定义和设计了解，了解linux驱动编写过程，提升自己动手能力。二、课程设计内容和要求字符设备驱动程序1、设计目标：掌握设备驱动程序编写、编译和装载、卸载方法，了解设备文件创建，并知道怎样编写测试程序测试自己驱动程序是否能够正常工作2、设计要求：1)编写一个简单字符设备驱动程序，该字符设备包含打开、读、写、I\O控制和释放五个基础操作。2)编写一个测试程序，测试字符设备驱动程序正确性。3)要求在试验汇报中列出Linux内核版本和内核模块加载过程。三、系统分析和设计1、系统分析系统调用是操作系统内核和应用程序之间接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件细节，这么在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序能够象操作一般文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核一部分，它完成以下功效:1、对设备初始化和释放；2、把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；3、读取应用程序传送给设备文件数据和回送应用程序请求数据；4、检测和处理设备出现错误。字符设备提供给应用程序是一个流控制接口，关键包含open、close（或release）、read、write、ioctl、poll和mmap等。在系统中添加一个字符设备驱动程序，实际上就是给上述操作添加对应代码。对于字符设备和块设备，Linux内查对这些操作进行了统一抽象，把它们定义在结构体file_operations中。2、系统设计：2.1、模块设计：打开设备读操作写操作I/O控制释放设备字符设备驱动2.2数据结构说明字符设备驱动关键应用了三种数据结构：=1\*GB3①file_operations结构，这是设备驱动程序所提供一组用一个结构向系统进行说明入口点；=2\*GB3②file结构，关键用于和文件系统对应设备驱动程序。代表一个打开文件，它由内核在open时创建，并传输给在该文件上进行操作全部函数，直到碰到最终close函数。在文件全部实例全部被关闭以后，内核会释放这个数据结构；=3\*GB3③inode结构，提供了相关特殊设备文件/dev/mydev信息。各个结构定义以下：（1）file_operations结构：staticconststructfile_operationsmy_fops={.owner=THIS_MODULE,.llseek=my_llseek,.read=my_read,.write=my_write,.open=my_open,.release=my_release,.unlocked_ioctl=ioctl,};（2）file结构：1）读staticssize_tmy_read(structfile*filp,char__user*buf,size_tsize,loff_t*ppos)2）写staticssize_tmy_write(structfile*filp,constchar__user*buf,size_tsize,loff_t*ppos)3）seek文件定位staticloff_tmy_llseek(structfile*filp,loff_toffset,intwhence)4）I\O控制staticintioctl(structfile*file,unsignedintcmd,unsignedlongarg)（3）inode结构：1）打开intmy_open(structinode*inode,structfile*filp)2）释放intmy_release(structinode*inode,structfile*filp)2.3、算法步骤图：结束结束文件释放函数ly_release()设备驱动模块卸载函数mydev_exit()开始设备驱动模块加载函数ly_init()文件打开函数ly_open()读函数ly_read()写函数ly_write()Seek文件定位函数ly_llseek()I\O控制函数Ioctl()四、系统测试和调试分析4.1系统测试4.1.1开启超级管理员模式并输入密码命令：sudosu4.1.2对源程序进行编译命令：make4.1.3加载驱动程序并查看命令：insmodlydev.ko和lsmod4.1.4显示主设备号命令：cat/proc/devices4.1.5创建节点并查看命令：mknod/dev/lydev550和cd/dev4.1.6编译测试程序命令：gcc–ottest.c4.1.7运行测试函数命令：./t4.1.8进行打开设备操作命令：14.1.9进行写操作并输入hello命令：24.1.10进行读操作命令：34.1.11进行I/O控制命令：44.1.12进行释放设备操作命令：54.1.13进行退出操作命令：64.1.14卸载驱动程序命令：rmmodlydev4.1.15查看日志命令：dmesg4.1.16删除节点并查看命令：rmlydev和ls4.2调试分析最开始时候没有启用sudo模式，造成很多命令不能实施，启用模式时候需要输入密码，不过输入密码时候是不显示东西认为犯错，查阅资料以后才知道是应有现象。程序测试一遍以后再次测试很多命令不能实施，原因是第一次测试以后产生多种文件没有删除，再次测试会显示已存在。有一次测试程序，不能卸载驱动，用lsmod查看有两个进程使用，以后强制关机才能正常使用，原因不明，以后要加强学习。五、程序清单1.主程序#include<linux/module.h>#include<linux/types.h>#include<linux/fs.h>#include<linux/errno.h>#include<linux/mm.h>#include<linux/sched.h>#include<linux/init.h>#include<linux/cdev.h>#include<linux/slab.h>#include<asm/io.h>#include<asm/system.h>#include<asm/uaccess.h>#include"lydev.h"#defineSCULL_IOC_MAGIC'k'#defineSCULL_IOCRESET_IO(SCULL_IOC_MAGIC,0)#defineSCULL_IOCSQUANTUM_IOW(SCULL_IOC_MAGIC,1,int)#defineSCULL_IOCSQSET_IOW(SCULL_IOC_MAGIC,2,int)#defineSCULL_IOCTQUANTUM_IO(SCULL_IOC_MAGIC,3)#defineSCULL_IOCTQSET_IO(SCULL_IOC_MAGIC,4)#defineSCULL_IOCGQUANTUM_IOR(SCULL_IOC_MAGIC,5,int)#defineSCULL_IOCGQSET_IOR(SCULL_IOC_MAGIC,6,int)#defineSCULL_IOCQQUANTUM_IO(SCULL_IOC_MAGIC,7)#defineSCULL_IOCQQSET_IO(SCULL_IOC_MAGIC,8)#defineSCULL_IOCXQUANTUM_IOWR(SCULL_IOC_MAGIC,9,int)#defineSCULL_IOCXQSET_IOWR(SCULL_IOC_MAGIC,10,int)#defineSCULL_IOCHQUANTUM_IO(SCULL_IOC_MAGIC,11)#defineSCULL_IOCHQSET_IO(SCULL_IOC_MAGIC,12)#defineSCULL_IOC_MAXNR14staticintly_major=55;module_param(ly_major,int,S_IRUGO);structly_dev*ly_devp;/*设备结构体指针*/structcdevcdev;staticintioctl(structfile*file,unsignedintcmd,unsignedlongarg);/*文件打开函数*/intly_open(structinode*inode,structfile*filp){structly_dev*dev;/*获取次设备号*/intnum=MINOR(inode->i_rdev);if(num>=MYDEV_NR_DEVS)return-ENODEV;dev=&ly_devp[num];/*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/filp->private_data=dev;return0;}/*文件释放函数*/intly_release(structinode*inode,structfile*filp){return0;}/*读函数*/staticssize_tly_read(structfile*filp,char__user*buf,size_tsize,loff_t*ppos){unsignedlongp=*ppos;unsignedintcount=size;intret=0;structly_dev*dev=filp->private_data;/*取得设备结构体指针*//*判定读位置是否有效*/if(p>=MYDEV_SIZE)return0;if(count>MYDEV_SIZE-p)count=MYDEV_SIZE-p;/*读数据到用户空间*/if(copy_to_user(buf,(void*)(dev->data+p),count)){ret=-EFAULT;}else{*ppos+=count;ret=count;printk(KERN_INFO"read%dbytes(s)from%lx\n",count,p);}returnret;}/*写函数*/staticssize_tly_write(structfile*filp,constchar__user*buf,size_tsize,loff_t*ppos){unsignedlongp=*ppos;unsignedintcount=size;intret=0;structly_dev*dev=filp->private_data;/*取得设备结构体指针*//*分析和获取有效写长度*/if(p>=MYDEV_SIZE)return0;if(count>MYDEV_SIZE-p)count=MYDEV_SIZE-p;/*从用户空间写入数据*/if(copy_from_user(dev->data+p,buf,count))ret=-EFAULT;else{*ppos+=count;ret=count;printk(KERN_INFO"written%dbytes(s)from%lx\n",count,p);}returnret;}/*I\O控制函数*/staticintioctl(structfile*file,unsignedintcmd,unsignedlongarg){ if(_IOC_TYPE(cmd)!=SCULL_IOC_MAGIC) { return-EFAULT; } if(_IOC_NR(cmd)>SCULL_IOC_MAXNR) { return-EFAULT; } switch(cmd){caseSCULL_IOCRESET:printk("SCULL_IOCRESET+%lx",arg);break;caseSCULL_IOCSQUANTUM:/*Set:argpointstothevalue*/printk("SCULL_IOCSQUANTUM+%lx",arg);break;caseSCULL_IOCTQUANTUM:/*Tell:argisthevalue*/printk("SCULL_IOCTQUANTUM+%lx",arg);break;caseSCULL_IOCGQUANTUM:/*Get:argispointertoresult*/printk("SCULL_IOCGQUANTUM+%lx",arg);break;caseSCULL_IOCQQUANTUM:/*Query:returnit(it'spositive)*/printk("SCULL_IOCQQUANTUM+%lx",arg);break;caseSCULL_IOCXQUANTUM:/*eXchange:useargaspointer*/printk("SCULL_IOCXQUANTUM+%lx",arg);break;caseSCULL_IOCHQUANTUM:/*sHift:likeTell+Query*/printk("SCULL_IOCHQUANTUM+%lx",arg); break;}return0; }/*seek文件定位函数*/staticloff_tly_llseek(structfile*filp,loff_toffset,intwhence){loff_tnewpos;switch(whence){case0:/*SEEK_SET*/newpos=offset;break;case1:/*SEEK_CUR*/newpos=filp->f_pos+offset;break;case2:/*SEEK_END*/newpos=MYDEV_SIZE-1+offset;break;default:/*can'thappen*/return-EINVAL;}if((newpos<0)||(newpos>MYDEV_SIZE))return-EINVAL;filp->f_pos=newpos;returnnewpos;}/*文件操作结构体*/staticconststructfile_operationsly_fops={.owner=THIS_MODULE,.llseek=ly_llseek,.read=ly_read,.write=ly_write,.open=ly_open,.release=ly_release,.unlocked_ioctl=ioctl,};/*设备驱动模块加载函数*/staticintlydev_init(void){intresult;inti;dev_tdevno=MKDEV(ly_major,0);/*静态申请设备号*/if(ly_major)result=register_chrdev_region(devno,2,"lydev");else/*动态分配设备号*/{result=alloc_chrdev_region(&devno,0,2,"lydev");ly_major=MAJOR(devno);}if(result<0)returnresult;/*初始化cdev结构*/cdev_init(&cdev,&ly_fops);cdev.owner=THIS_MODULE;cdev.ops=&ly_fops;/*注册字符设备*/cdev_add(&cdev,MKDEV(ly_major,0),MYDEV_NR_DEVS);/*为设备描述结构分配内存*/ly_devp=kmalloc(MYDEV_NR_DEVS*sizeof(structly_dev),GFP_KERNEL);if(!ly_devp)/*申请失败*/{result=-ENOMEM;gotofail_malloc;}memset(ly_devp,0,sizeof(structly_dev));/*为设备分配内存*/for(i=0;i<MYDEV_NR_DEVS;i++){ly_devp[i].size=MYDEV_SIZE;ly_devp[i].data=kmalloc(MYDEV_SIZE,GFP_KERNEL);memset(ly_devp[i].data,0,MYDEV_SIZE);}printk("模块加载成功！\n");return0;fail_malloc:unregister_chrdev_region(devno,1);returnresult;}/*模块卸载函数*/staticvoidlydev_exit(void){cdev_del(&cdev);/*注销设备*/kfree(ly_devp);/*释放设备结构体内存*/unregister_chrdev_region(MKDEV(ly_major,0),2);/*释放设备号*/printk("模块卸载成功！\n");}MODULE_LICENSE("GPL");module_init(lydev_init);module_exit(lydev_exit);2.测试程序#include<stdio.h>#include<sys/types.h>#include<unistd.h>#include<fcntl.h>#include<linux/rtc.h>#include<linux/ioctl.h>#include<string.h>#include<stdlib.h>#defineMAXBUF20#defineSCULL_IOC_MAGIC'k'#defineSCULL_IOCRESET_IO(SCULL_IOC_MAGIC,0)#defineSCULL_IOCSQUANTUM_IOW(SCULL_IOC_MAGIC,1,int)#defineSCULL_IOCSQSET_IOW(SCULL_IOC_MAGIC,2,int)#defineSCULL_IOCTQUANTUM_IO(SCULL_IOC_MAGIC,3)#defineSCULL_IOCTQSET_IO(SCULL_IOC_MAGIC,4)#defineSCULL_IOCGQUANTUM_IOR(SCULL_IOC_MAGIC,5,int)#defineSCULL_IOCGQSET_IOR(SCULL_IOC_MAGIC,6,int)#defineSCULL_IOCQQUANTUM_IO(SCULL_IOC_MAGIC,7)#defineSCULL_IOCQQSET_IO(SCULL_IOC_MAGIC,8)#defineSCULL_IOCXQUANTUM_IOWR(SCULL_IOC_MAGIC,9,int)#defineSCULL_IOCXQSET_IOWR(SCULL_IOC_MAGIC,10,int)#defineSCULL_IOCHQUANTUM_IO(SCULL_IOC_MAGIC,11)#defineSCULL_IOCHQSET_IO(SCULL_IOC_MAGIC,12)#defineSCULL_IOC_MAXNR14intmain(){inttestdev;inti,flag=1,t,len=-1;charsel;charbuf[MAXBUF],tmp[MAXBUF];printf("1、打开设备\n2、写操作\n3、读操作\n4、I/O控制\n5、释放设备\n6、退出\n");while(1){printf("请输入要实施操作：");sel=getchar();getchar();switch(sel){case'1':testdev=open("/dev/lydev",O_RDWR);if(testdev<0){printf("设备打开失败\n");break;}flag=0;printf("设备打开成功！\n"break;/*case'2':if(flag){printf("请先打开设备！\n");break;}printf("请输入写入字符串:");gets(tmp);len=strlen(tmp);printf("len=%d\n",len);t=write(testdev,tmp,len);if(t<0){printf("写操作失败！\n");break;}printf("%s字符串写入成功！\n",tmp);break;case'3':if(flag){printf("请先打开设备！\n");break;}if(len<0){printf("请优异行写操作！\n");break;}t=read(testdev,buf,len);if(t<0){printf("读操作失败！\n");break;}printf("读操作成功!结果为:%s\n",buf);break;*/case'2':if(flag){printf("请先打开设备！\n");continue;}printf("请输入要写入字符串：");gets(tmp);len=sizeof(tmp);//strlen(tmp);t=write(testdev,tmp,len);if(t<0){perror("写操作失败！\n");exit(-1);}printf("字符串:%s写入成功！\n",tmp);break;case'3':if(flag){printf("请先打开设备！\n");continue;}lseek(testdev,0,SEEK_SET);t=read(testdev,buf,len);if(t<0){perror("读操作失败！\n");exit(-1);}printf("读操作成功!结果为:%s\n",buf);break;case'4':if(flag){printf("请先打开设备！\n");break;}t=ioctl(testdev,SCULL_IOCTQUANTUM,3);if(t<0){