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Red Hat Linux release 9 (Shrike)

Kernel 2.4.20-8 on an i686

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編寫字符設備驅動程序用戶空間的進程主要通過兩種方式和內核空間模塊打交道，一種是使用proc文件系統(tǒng)，另一種是使用字符設備。本文所描述的兩個字符設備sending device 和receiving device事實上是內核空間和用戶空間交換數(shù)據(jù)的緩存區(qū)，編寫字符設備驅動實際上就是編寫用戶空間讀寫字符設備所需要的內核設備操作函數(shù)。 在頭文件中，我們定義ED_REC_DEVICE為receiving device，名字是ed_rec；定義ED_TX_DEVICE為sending device，名字是ed_tx。 #define MAJOR_NUM_REC 200

#define MAJOR_NUM_TX 201

#define IOCTL_SET_BUSY _IOWR(MAJOR_NUM_TX,1,int)

200和201分別代表receiving device 和 sending device的主設備號。在內核空間，驅動程序是根據(jù)主、次設備號識別設備的，而不是設備名；本文的字符設備的次設備號都是0，主設備號是用戶定義的且不能和系統(tǒng)已有的設備的主設備有沖突。IOCTL_SET_BUSY _IOWR(MAJOR_NUM_TX,1,int)是ioctl的操作函數(shù)定義（從用戶空間發(fā)送命令到內核空間），主要作用是使得每次在同一時間，同一字符設備上，只可進行一次操作。我們可以使用mknod來建立這兩個字符設備 [root@localhost]#mknod c 200 0 /dev/ed_rec

[root@localhost]#mknod c 201 0 /dev/ed_tx

設備建立后，編譯好的模塊就可以動態(tài)加載了：[root@localhost]#insmod ed_device.o

為了方便對設備編程，我們還需要一個字符設備管理的數(shù)據(jù)結構： struct ed_device{

int magic;

char name[8];

int busy;

unsigned char *buffer;

#ifdef LINUX_24

wait_queue_head_t rwait;

#endif

int mtu;

spinlock_t lock;

int data_len;

int buffer_size;

struct file *file;

ssize_t (*kernel_write)(const char *buffer,size_t length,int buffer_size);

};

這個數(shù)據(jù)結構是用來保存字符設備的一些基本狀態(tài)信息。ssize_t (*kernel_write)(const char *buffer,size_t length,int buffer_size) 是一個指向函數(shù)的指針，它的作用是為偽網絡驅動程序提供寫字符設備數(shù)據(jù)的系統(tǒng)調用接口。magic字段主要是標志設備類型號的，這里沒有別的特殊意義；busy字段用來說明字符設備是否是處于忙狀態(tài)，buffer指向內核緩存區(qū)，用來存放讀寫數(shù)據(jù)；mtu保存當前可發(fā)送的網絡數(shù)據(jù)包最大傳輸單位，以字節(jié)為單位；lock的類型是自旋鎖類型spinlock_t，它實際以一個整數(shù)域作為鎖，在同一時刻對同一字符設備，只能有一個操作，所以使用內核鎖機制保護防止數(shù)據(jù)污染；data_len是當前緩存區(qū)內保存的數(shù)據(jù)實際大小，以字節(jié)為單位；file是指向設備文件結構struct file的一個指針，其作用主要是定位設備的私有數(shù)據(jù) file-> private_data。定義字符設備struct ed_device ed[2]，其中ed[ED_REC_DEVICE]就是receving device，ed[ED_TX_DEVICE]就是sending device。如果sending device ED_TX_DEVICE沒有數(shù)據(jù)，用戶空間的read調用將被阻塞，并把進程信息放于rwait隊列中。當有數(shù)據(jù)的時候，kernel_write()中的wake_up_interruptible()將喚醒等待進程。kernel_write()函數(shù)定義如下： ssize_t kernel_write(const char *buffer,size_t length,int buffer_size)

{

if(length > buffer_size )

length = buffer_size;

memset(ed[ED_TX_DEVICE].buffer,0,buffer_size);

memcpy(ed[ED_TX_DEVICE].buffer,buffer,buffer_size);

ed[ED_TX_DEVICE].tx_len = length;

#ifdef LINUX_24

wake_up_interruptible(ed[ED_TX_DEVICE].rwait);

#endif

return length;

}

字符設備的操作及其相關函數(shù)調用過程如圖3 所示。 圖 3 當ed_device模塊被加載的時候，eddev_module_init()調用register_chrdev()內核API注冊ed_tx和ed_rec兩個字符設備。這個函數(shù)定義在linux/fs.h>： int register_chdev(unsigned int major, const char *, struct fle_operations *fops)

字符設備被注冊成功后，內核把這兩個字符設備加入到內核字符設備驅動表中。內核字符設備驅動表保留指向struct file_operations的一個數(shù)據(jù)指針。用戶進程調用設備讀寫操作時，通過這個指針訪問設備的操作函數(shù)， struct file_operations中的域大部分是指向函數(shù)的函數(shù)指針，指向用戶自己編寫的設備操作函數(shù)。 struct file_operations ed_ops ={

#ifdef LINUX_24

NULL,

#endif

NULL,

device_read,

device_write,

NULL,

NULL,

device_ioctl,

NULL,

device_open,

NULL,

device_release,

};

注意到Linux2.4.x和Linux2.2.x內核中定義的struct file_operations是不一樣的。device_read()、device_write()、device_ioctl()、device_open()、device_release()就是需要用戶自己定義的函數(shù)操作了，這幾個函數(shù)是最基本的操作，如果需要設備驅動程序完成更復雜的任務，還必須編寫其他struct file_operations中定義的操作。eddev_module_init()除了注冊設備及其操作外，它還有初始化字符設備結構struct ed_device，分配內核緩存區(qū)所需要的空間的作用。在內核空間，分配內存空間的API函數(shù)是kmalloc()。 下面介紹一下字符設備的主要操作例程device_open()、device_release()、device_read()、devie_write()。字符設備文件操作結構ed_ops中定義的指向以上函數(shù)的函數(shù)指針的原形： device_open: int(*open)(struct inode *,struct file *)

device_release: int (*release) (struct inode *, struct file *);

device_read: ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);

device_write: ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);