Linux设备驱动

 

 

第一章 设备驱动简介

 

  • 驱动程序的角色是提供机制，而不是策略。
  • 编写内核代码来存取硬件，但是不能强加特别的策略给用户(只需要表现出硬件的最基本的功能，如何使用这些功能又用户自己选择)
  • 对策略透明的驱动特征：支持同步和异步操作、可以多次打开、利用硬件全部能力、没有软件层提供策略相关操作。
  • 内核角色划分为：进程管理、内存管理、文件系统、设备控制、网络。
  • 字符设备是一种可以当做一个字节流来存取的设备，字符设备通过文件系统存取。
  • 块设备通过位于/dev目录的文件系统结点来存取，一个块设备只能传送一个或多个长度经常是512字节(或更大的2的幂)的整块。但是Linux允许应用程序像字符设备一样读写一个块设备。
  • 一个网络接口负责发送和接受数据报文，在内核网络子系统驱动下，不需要知道如何把一个事务映射到实际的被发送和接受的报文上，例如面向流的TCP，但是网络设备被设计成处理报文的发送和接收，网络驱动只处理报文。
  • 文件系统其实是一个软件驱动。
  • 安 全问题：驱动编写者应避免将安全策略编写到代码中，但是有例外：某些类型的设备存取可能反面地影响系统；驱动程序BUG，特别是内存访问控制上的；用户进 程接收的输入除非能核实它，否则不要信任它；从内核获取的内存应当清零或者在对用户进程或设备可用前初始化；设备解析发送给它的数据，就需要确保用户不能 发送任何危及系统的东西；

 

第二章 建立和运行模块

 

  • printk(KERN_ALERT “hello”);的优先级之后，不需要加逗号。
  • 模块只连接到内核，唯一能调用的函数就是内核输出的那些，因此模块源文件不应当包含通常的头文件，<stdarg.h>和其他特殊情况例外。
  • 内核编程错误至少会杀掉当前进程。
  • 驱动经常做两个任务：驱动模块中一些函数作为系统调用的一部分，一些负责中断处理。
  • 内核编程的堆栈远远小于用户空间编程，如果需要大的结构，应当在调用时间内动态分配内存。
  • 双下划线开始的函数，是一个底层的接口组件，要小心使用。
  • 内核代码不能做浮点算术(内核里不能使用浮点变量？)
  • 一种方便的makefile写法，思路是使用KERNELRELEASE变量来定位内核源码目录，如果没有内核源码树目录，则从已安装模块目录中的符号连接指回内核建立树；如果有则调用默认建立工作。

 

# If KERNELRELEASE is defined, we've been invoked from the 

# kernel build system and can use its language.


ifneq ($(KERNELRELEASE),)    #在ifneq后面需要有一个空格

  obj-m := hello.o 


# Otherwise we were called directly from the command 

# line; invoke the kernel build system.


else 

  KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build 

  PWD := $(shell pwd)


default: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules


endif

 

  • 在编译模块时，会出现make nothing to be done for "default"错误，这是因为Makefile文件编写格式有错误，标准写法应该在default执行语句前加一个TAB键

 

default:

(一个TAB)$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules

 

  • 测 试了一个hello模块，可以成功加载和卸载，但是没有printk()输出。(2010年1月2日问题解决)由于终端控制台输出的信息级别问题没有显 示，可以将输出级别设置为最高级KERN_EMERG，或者到/var/log/messages文件下可以查看到内核打印出的信息！
  • insmod工作过程：加载模块的代码段和数据段到内核，然后连接模块中任何未解决的符号到内核的符号表上，内核不修改模块的磁盘文件，而只是在内存中又拷贝了一份。
  • 大部分基于内核版本的依赖性可以使用预处理器条件解决，处理不兼容的最好方式是把他们限制到特定的头文件(如何限制？)
  • 通用原则：明显版本依赖的代码应该隐藏在一个低级的宏定义或者函数后面。
  • 当加载一个模块，内核为模块检查特定处理器的配置选项，确认他们匹配运行着的内核，如果模块用不同选项编译，则不会加载。
  • 没明白“发布驱动-GPL-许可-以二进制发布驱动-许可”之间的关系。版权问题？
  • 新的模块可以用你模块输出的符号，即可以堆叠新的模块在其他模块之上。
  • modprobe可以自动加载任何你加载模块所需的其他模块，但只查找标准的已安装模块目录。
  • 宏定义扩展成一个特殊用途的并被期望是全局存取的变量的声明，这个变量存储于模块的一个特殊的可执行部分(一个"ELF段")，内核用这个部分在加载时找到模块输出的变量。
  • 标准初始化函数定义如下，其中_init是可选的，表示在加载模块后把这个函数丢弃，释放内存，_initdata类似，表示只在初始化时用的数据。

 

static int _init initialization_function(void)

{

}

module_init(initialization_function);

 

  • 清理函数定义如下，注销接口，在模块被除去前返回所有资源给系统，_exit标识符同上

 

static void _exit cleanup_function(void)

{

}

module_exit(cleanup_function);

 

  • 错误处理，如果在注册过程中失败，需要回滚所有的操作，当无法注销之前获取的东西时，内核就不稳定，包含了不存在的代码内部指针。处理错误常小心使用goto来简化代码，并在初始化过程中需要判断多次

 

int __init my_init_function(void) 

{ 

 int err; /* registration takes a pointer and a name */ 


 err = register_this(ptr1, "skull"); 

 if (err) 

   goto fail_this; 


 err = register_that(ptr2, "skull"); 

 if (err) 

   goto fail_that; 


 err = register_those(ptr3, "skull"); 

 if (err) 

   goto fail_those; 

   return 0; /* success */ 


fail_those: 

   unregister_that(ptr2, "skull"); 

fail_that: 

   unregister_this(ptr1, "skull"); 

fail_this: 

   return err; /* propagate the error */ }

 

  • 模块加载很容易产生竞争，并且一旦你注册了模块，你的代码必须确保都可以被调用。在支持那个设备的所有初始化完成之前，不要注册任何设备。
  • 加载模块时加入参数：insmod test1=10 test2="abc"
  • 在模块中定义参数:module_param(参数名，类型，权限值(S_IRUGO));数组:module_param_array(参数名，类型，长度，权限值);

 

第三章 字符驱动

 

  • scull(sample character utility for loading localities)，是一个字符驱动，如同操作设备一样地操作一块内存区域。
  • 设备惯例位于/dev目录，使用ls -l可以输出详细信息，字符设备第一列有"c"标识，而块设备为“b”
  • dev_t类型用来持有设备编号，MAJOR(dev_t dev)；获得主编号，MINOR(dev_t dev)；获得次编号，MKDEV(int major, int minor)；获得一个dev_t。
  • 建 立一个字符驱动第一件事：获取一个或多个设备编号来使用，使用如下函数，其中first是分配的起始设备编号，其次编号常常是0，count是请求的连续 设备编号总数，如果count太大，可能溢出到下一个次编号，name是应该连接到这个编号方位的设备的名字，它会出现在/proc/devices和 sysfs中。分配成功返回0.

 

int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);

 

  • 可以由内核动态分配主编号，可使用如下函数：

 

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);

 

  • 不再使用设备编号时要释放它，常常是在模块的cleanup函数中释放

 

void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);

 

  • 在加载来模块之后，可以使用mknod /dev/设备文件名 c 主设备号 次设备号来给设备创建一个设备文件；如果使用的是动态分配设备号，则需要先去知道设备号才能创建。
  • 使用chmod 权限值 /dev/设备文件名。来给设备设置权限。
  • 为了灵活设置主设备号，可以采用如下代码，当加载模块时有设置则使用静态设备号，没设值则动态分配一个。

 

if (scull_major) {

  dev = MKDEV(scull_major, scull_minor);

  result = register_chrdev_region(dev, scull_nr_devs, "scull");

} else {

  result = alloc_chrdev_region(&dev, scull_minor, scull_nr_devs, "scull");

  scull_major = MAJOR(dev);

}

if (result < 0) {

  printk(KERN_WARNING "scull:can't get major %d/n", scull_major);

  return result;

｝

 

  • file_operation 是帮助连接字符设备操作和设备编号的结构，是一个函数指针的集合，定义在linux/fs.h中，这个函数操作大部分负责 实现系统调用。结构中到每个成员(函数)必须指向驱动中的函数，对于不支持到操作留置为NULL，但指定为NULL指针时内核的确切行为是每个函数不同 的。
  • 针 对不同到驱动，采用不同的file_operation结构初始化方式，选择初始化不同到函数，例如scull，其中.owner不是一个操作，而是只想 拥有这个结构题的模块的指针，一般为THIS_MODULE，一个则<linux/module.h> 中定义的宏。

 

struct file_operations scull_fops = {

 .owner =  THIS_MODULE,

 .llseek =  scull_llseek,

 .read =  scull_read,

 .write =  scull_write,

 .ioctl =  scull_ioctl,

 .open =  scull_open,

 .release =  scull_release,  

};

 

  • struct file，文件结构，代表一个打开的文件(包括系统文件及设备文件等)，由内核在open时创建，并对文件操作时需要传递它，在文件到所有实例都关闭后，内核释放这个结构。
  • 一般给file取名为filp，表示文件指针。
  • file中有file_operation *f_op这个成员，这表示与文件关联到操作，在文件open时需要设置，内核不保存这个值，你可以改变这个值来改变该文件关联的操作，从而实现实时替换文件操作，类似“方法重载”。
  • inode，在内核内部表示文件，和代表打开文件描述符的文件结构是不同到，可能有代表单个文件的多个打开描述符，但都指向单个inode结构。
  • inode中保存关于驱动的重要信息只有 dev_t i_rdev：保存设备编号，以及struct cdev *i_cdev：代表字符设备。
  • 在运行时获得一个独立的cdev结构，可使用

 

struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();

my_dev->ops = &my_ops;

 

  • 将cdev结构嵌入到自己设备特定的结构，需要会初始化已经配分的结构

 

void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operation *fops);

 

  • 在cdev建立后，通知内核，但cdev_add可能失败，设备不能添加到系统中，但一旦cdev_add返回，设备就可以被内核调用，所有驱动完全准备好前不要调用cdev_add。

 

int cdev_add(struct dev *dev, dev_t num, unsigned int count);

 

  • 除去一个字符设备，调用

 

void cdev_del(struct cdev *dev);

 

  • open方法大部分驱动中应该做下面的工作：
  • 检查设备特定的错误，例如设备没准备号，或者硬件错误
  • 如果第一次打开，初始化设备
  • 如果需要，更新f_op指针
  • 分配并填充放进filp->private_data的任何数据结构
  • open函数原型为int (*open)(struct inode *inode, struct file *filp);
  • open函数的inode参数中有我们需要的信息i_cdev，来确定打开哪个设备，但是我们通常不想要cdev本身，而是想要包含cdev的scull_cdev结构。
  • 内核实现了一个宏来做到此功能，其中，使用一个指向一个container_field类型的指针，它在包含它的container_type数据类型中，宏返回的就是container_type数据类型指针。

 

container_of(pointer, container_type, container_field);

 

  • 例如如下代码利用此宏，根据inode结构的i_cdev指针，到

 

struct scull_dev *dev; /* device information */ 

dev = container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev);

 

  • release方法当是open的反面，任务有：
  • 释放open分配在filp->private_data中的任何东西
  • 在最后的close关闭设备
  • release方法并不是每次文件关闭都会被调用，因为可能程序打开一个已打开文件的拷贝，而这时不调用open，只是增加一个引用计数，关闭也只是减少一个引用计数，只有最后一个关闭时才调用release。
  • 内存分配和释放，flags可以使用GFP_KERNEL，而kmalloc分配的内存应该用kfree释放，kfree释放的内存应该是由kmalloc申请的，kmalloc分配不比整页分配大内存区有效，但简单：

 

void *kmalloc(size_t size, int flags);

void kfree(void *ptr);

 

  • read和write方法的buff参数时用户空间的指针，所以不能被内核代码直接引用，原因时：
  • 依赖于驱动运行的体系，以及内核是如何被配置的，用户空间指针当运行于内核模式可能根本无效的。
  • 就算这指针在内核空间是同样的东西，但是用户空间是分页的，可能调用时这个内存没在RAM中，导致页面错，及进行系统调用的进程死亡。
  • 要怀疑由用户程序提供的指针，可能时错误或恶意的。
  • 使用系统的拷贝函数，这2个方法都在发生错误时返回一个负值，大于或等于0的返回值告知调用程序有多少字节已经传送，如果在发送一些数据后发生错误，返回值必须时成功发送的字节数，错误不报告直到函数下一次调用，驱动需要记住错误已经 发生：

 

unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long count);

unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count);