嵌入式操作系统实验五 设备驱动.doc

实验五 字符设备驱动王威 SA12226437 芯片设计班准备Makefile使用了设备驱动课上的编译驱动模块的“万能makefile”只需改一下依赖的文件名即可LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)KERNELDIR = /usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)PWD := $(shell pwd)/KERNELDIR为内核路径，/usr/src/下存放内核，pwd 变量取得当前的路径。CC = $(CROSS_COMPILE)gccobj-m := driver_demo.o /CC为编译器的路径，CROSS_COMPILE为已经设定好的内核交叉编译器路径，如arm-linux-，与后面的 gcc链接即为arm-linux-gcc。定义生成的目标为driver_demo.ko的模块，所依赖的文件时.o文件，编译时发现没有，会自动生成，本机没有配置CROSS_COMPILE所以为空，使用默认编译器gccmoudles:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules/执行make modules命令，make会进入KERNEL_DIR目录执行此目录下的Makefile，然后在返回PWD目录执行自己写的Makefile。modules_install:cp driver_demo.ko $(INSTALLDIR)/执行make install命令，会将驱动拷贝到INSTALLDIR目录下。clean:rm -rf *.o * core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions/执行make clean命令，会将生成的.o及其它中间文件删除。也可以使用PPT上给出的makefile格式（千万注意格式，特别是空格）obj-m:=xxx.oKD ?=/lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD :=$(shell pwd)default:$(MAKE) -C $(KD) M=$(PWD) modulesclean:rm $(obj-m) *.o *.ko Module* module* *.mod.cMakefile的语法机制比较复杂，而且非常重要，比如分布在内核源码各个文件夹中的makefile文件定义了内核的编译规则等等，可以作为一个专项来学习，它的可读性比较差，使用了大量的简化符号，但本质都是gcc命令在makefile规则下的集合。Makefile 的作用是根据配置的情况，构造出需要编译的源文件列表，然后分别编译，并把目标代码链接到一起，最终形成 Linux 内核二进制文件。1. 编译模块将5个源文件拷贝到工作文件夹（确保之前的工作文件夹没有makefile文件），执行make命令，进行编译。其中driver_demo.c和test_demo.c、driver_demo2.c和test_demo2.c、是两套实验程序，即本实验的步骤从这两套程序重复两次。其中XX_demo.c严格按照模块编程要求（四个宏两个函数），加上驱动程序的要求（cdev结构体的填充，包括申请设备号并填充，编写file_operation并填充）。执行make后如下：生成如下文件：包含模块driver_demo.ko2. 安装驱动模块即将模块加载到内核，在加载的过程中会向内核注册cdev结构体，即注册一个字符设备。insmod driver_demo.koLsmod显示加载进内核的所有模块cat /proc/devices查看系统中设备相关：cat主要有三大功能：1.一次显示整个文件。$ cat filename2.从键盘创建一个文件。$ cat filename只能创建新文件,不能编辑已有文件.3.将几个文件合并为一个文件。$cat file1 file2 file相关：/proc/devices/下的设备是驱动程序生成的，它可产生一个major供mknod作为参数。 /dev/下的设备是通过mknod加上去的，用户通过此设备名来访问驱动。也就是说proc/device是显示系统拥有的所有外部设备（驱动程序注册），而dev是通过建立节点生成的所有的设备文件，外部设备面向程序员的接口252 memdevice是我们加载驱动模块时向内核注册的设备，它就是一个cdev结构体。系统为我们分配了主设备号252。3、在/dev下建立设备文件（结点）：结点的名称根据程序中你定义的，要访问的结点名称而定。建立节点对应的设备号与系统为驱动模块分配的一致即可。test_demo.c里访问的设备文件名称是memdevice0，所以我们建立设备文件（结点）时使用该名称，但设备号要与系统分配的设备号保持一致。然后执行mknod /dev/memdevice0 c 252 0 来建立结点，随后查看/dev下建立的结点。一定要在dev目录下建立节点，linux系统默认从那个目录下寻找驱动文件。结点建立成功。4、编译并运行应用程序，它使用模块中的函数，用以验证驱动的可动性。执行gcc -o test_demo test_demo.c命令，生成test_demo可执行文件。或者直接gcc test_demo.c默认生成a.out验证驱动程序a.out运行结果如下5、驱动模块卸载卸载驱动模块，并删除设备结点。sudo rmmod driver_demo.korm -rf mmdevice0 像删普通文件一样就行另：对于实验的第二个使用driver文件夹下的driver_demo2.c和test_demo2.c这两个文件是陈博老师的设备驱动课上的实验源码。自己写难度太大了，将makefile文件中的编译目标改一下，用这两个文件将实验再做一遍。重复步骤1到步骤5一些小收获：1、 编写makefile文件时一定要注意，首字母一定要大写，Makefile2、 Makefile文件中的目标文件与依赖文件分写两行，依赖文件前面有一个tab空格，而PPT中给的是两个tab空格,会报错。3、 建立文件时可以再工作文件夹右键直接建立一个空文档，然后双击进入编辑。若是在终端里直接用gedit建立的文件， 可能会没有修改权限。4、 重命名：mv abc ABC5、 虚拟机设置一定要“共享粘贴板”，不然很麻烦。6、 VI两个新命令：X删除当前字符。I在光标前添加字符。A是在光标后添加字符。*附：试着分析一下驱动程序源码和验证程序源码。linux博大精深，需要慢慢积累，很多时候问问题，没有一个人能给出全面的回答*Driver_demo.c的源码如下：黑色粗字及彩色为注释/* *File:driver_demo.c *Created:Tue 28 Dec 2010 09:43:37 AM CST *Author:muryo *Description: linux driver example */编译器找头文件默认在/usr/include里找,如果/usr/include里找不到就根据编译参数-I指定的路径里找./usr/src/linux/include/linux是给编译内核用的 /usr/include/linux是给编译应用程序用的 #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include / for copy_from_user. functions上面的头文件均在内核源码中，里面有模块编程和驱动编程的内核函数linux-2.6.22/include/linux/xx.h/* 全局变量设置 */#define MEM_DRIVER_MAJOR249 / 静态定义主设备号#define MEM_DRIVER_MAJOR0 / 动态定义主设备号#define MEM_DRIVER_SIZE128 / 定义内存空间大小#define _MEM_CLEAR1/ 定义ioctl命令，清空内存#define _MEM_REVERSE 5 / 定义ioctl命令，将内存中的数据倒置#define _MEM_LOGO3/ 定义ioctl命令，打印菱形/* 设备结构声明 */struct mem_devstruct cdev cdev; /字符设备结构，内核用cdev代表一个字符设备，我们要填充其成员，并在模块加载的时候向内核注册这个结构体，相当于添加了一个设备。其成员如下 unsigned char mem_spaceMEM_DRIVER_SIZE; /设备内存空间;struct mem_dev *dev;static int mem_driver_major = MEM_DRIVER_MAJOR;/* 函数声明 */static int memdriver_init(void);/ 设备初始化函数static void memdriver_exit(void);/ 设备释放函数，这两个函数在insmod和rmmod是执行，放在init和exit宏里。下面的这几个函数非常重要，是file_operation的成员，是系统调用的真正有作用的驱动函数。/设备读取操作函数，static ssize_t memdriver_read(struct file *filp, char _user *buff, size_t count, loff_t *offp);/设备写操作函数static ssize_t memdriver_write(struct file *filp, const char _user *buff, size_t count, loff_t *offp);/设备控制函数驱动程序一般需支持通过Ioctl实现各种控制与参数设置，如串口可设置波特率等多参数cmd变量存放命令，驱动代码根据cmd里面的值进行switch-case处理分支static int memdriver_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);/设备打开函数static int memdriver_open(struct inode *inode, struct file *filp);/设备关闭函数static int memdriver_release(struct inode *inode, struct file *filp);定义一个file_operation结构体类型的变量memdriver_fops，填充cdevstatic const struct file_operations memdriver_fops = .owner = THIS_MODULE, .open = memdriver_open, .release = memdriver_release, .read = memdriver_read, .write = memdriver_write, .ioctl = memdriver_ioctl,;/初始化设备memdriver_cdev结构函数, 我们定义的memdriver_cdev中包含了cdev和设备内存空间static void memdriver_cdev_setup(struct mem_dev *dev, int index) int err;int devno = MKDEV(mem_driver_major, index);/由主次得到设备号dev_t,index为次设备号cdev结构体的dev_t成员定义了设备号为32位高12位为主设备号低20位为次设备号获取主设备号MAJOR(dev_t dev)获取次设备号MINOR(dev_t dev)通过主设备号和次设备号生成dev_tMKDEV(int major, int minor)linux-2.6.22/include/linux/cdev.hvoid cdev_init (struct cdev *cdev,const struct file_operations *fops); cdev: the structure to initialize fops: the file_operations for this device cdev_init(&dev-cdev, &memdriver_fops); /将file_operation填充到memdriver_cdev中cdev中 dev-cdev.owner = THIS_MODULE; dev-cdev.ops = &memdriver_fops; err = cdev_add(&dev-cdev, devno, 1);利用已经初始化的cdev结构体，和申请了的设备号，向内核注册一个字符设备。cdev_add() add a char device to the system-linux-2.6.22/include/linux/cdev.hint cdev_add (struct cdev * p, dev_t dev, unsigned count); p: the cdev structure for the device dev: the first device number for which this device is responsible count: the number of consecutive minor numbers corresponding to this device cdev_add() adds the device represented by p to the system, making it live immediately. A negative error code is returned on failure. if(err)printk(KERN_NOTICE memdriver: Error %d adding mem_device %dn, err, index);对于做嵌入式或者熟悉linux内核的人来说，对printk这个函数一定不会感到陌生。printk相当于printf的孪生姐妹，她们一个运行在用户态，另一个则在内核态被人们所熟知。printk是在内核中运行的向控制台输出显示的函数，Linux内核首先在内核空间分配一个静态缓冲区，作为显示用的空间，然后调用sprintf，格式化显示字符串，最后调用tty_write向终端进行信息的显示。printk与printf的差异，是什么导致一个运行在内核态而另一个运行用户态？其实这两个函数的几乎是相同的，出现这种差异是因为tty_write函数需要使用fs指向的被显示的字符串，而fs是专门用于存放用户态段选择符的，因此，在内核态时，为了配合tty_write函数，printk会把fs修改为内核态数据段选择符ds中的值，这样才能正确指向内核的数据缓冲区，当然这个操作会先对fs进行压栈保存，调用tty_write完毕后再出栈恢复。总结说来，printk与printf的差异是由fs造成的，所以差异也是围绕对fs的处理。static int memdriver_init(void) int result; dev_t devno = MKDEV(mem_driver_major, 0); if(mem_driver_major)/宏值不为零的时候，用该宏值与index生成的设备号直接申请 result = register_chrdev_region(devno, 1, memdevice);int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);向内核申请设备号，该设备号可用？如果分配成功进行, register_chrdev_region 的返回值是 0。出错的情况下, 返回一个负的错误码。相当于手动申请设备号 else result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, memdveice);如果设备号未知，向系统动态申请未被占用的设备号的情况，当调用成功后，会把得到的设备号放入第一个参数dev中mem_driver_major = MAJOR(devno); if(result cdev);调用cdev_del函数从系统注销字符设备 kfree(dev);/释放空间 unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_driver_major, 0), 1);/释放设备号static int memdriver_open(struct inode *inode, struct file *filp)try_module_get(dev-cdev.owner); / 设备打开计数器， 打开设备计数器+1 try_module_get 如果模块已经插入内核，则递增该模块引用计数；如果该模块还没有插入内核，则返回0表示出错include/linux/module.h ，在lsmod后，数字即引用数 printk(KERN_NOTICE memdriver: Device Open succeed!n); return 0;static int memdriver_release(struct inode *inode, struct file *filp)module_put(dev-cdev.owner); / 释放设备，计数器-1模块在被使用时，是不允许被卸载的。 2.4内核中，模块自身通过 MOD_INC_USE_COUNT, MOD_DEC_USE_COUNT宏来管理自己被使用的计数。 2.6内核提供了更健壮、灵活的模块计数管理接口 try_module_get(&module), module_put(&module)取代2.4中的模块使用计数管理宏；模块的使用计数不必由自身管理，而且在管理模块使用计数时考虑到 SMP与PREEMPT机制的影响。 int try_module_get(struct module *module); 用于增加模块使用计数；若返回为0，表示调用失败，希望使用的模块没有被加载或正在被卸载中。 void module_put(struct module *module); 减少模块使用计数。 try_module_get与module_put 的引入与使用与2.6内核下的设备模型密切相关。模块是用来管理硬件设备的，2.6内核为不同类型的设备定义了struct module *owner 域，用来指向管理此设备的模块。 printk(KERN_NOTICE memdriver: Device Release succeed!n); return 0;static ssize_t memdriver_read(struct file *filp, char _user *buff, size_t count, loff_t *offp) if(count MEM_DRIVER_SIZE)count = MEM_DRIVER_SIZE; /* * 将内核空间数据拷贝到用户空间 */ if(copy_to_user(buff, dev-mem_space, count) printk(KERN_NOTICE memdriver: Copy data to user error!n);return -EFAULT; else printk(KERN_NOTICE memdriver: Copy %d byte to user!n, count); return count;通常情况下，应用程序通过内核接口访问驱动程序，因此，驱动程序需要和应用程序交换数据。Linux将存储器分为“内核空间”和“用户空间”。操作系统和驱动程序在内核空间运行，应用程序在用户空间运行，两者不能简单地使用指针传递数据。因为Linux系统使用了虚拟内存机制，用户空间的内存可能被换出，当内核空间使用用户空间指针时，对应的数据可能不在内存中。Linux内核提供了多个函数和宏用于内核空间和用户空间传递数据。主要有：access_ok()，copy_to_user()，copy_from_user,put_user,get_user。1.access_ok()函数原型：int access_ok(int type,unsigned long addr,unsigned long size)函数access_ok()用于检查指定地址是否可以访问。参数type为访问方式，可以为VERIFY_READ（可读），VERIFY_WRITE（可写）。addr为要操作的地址，size为要操作的空间大小（以字节计算）。函数返回1，表示可以访问，0表示不可以访问。2.copy_to_user()和copy_from_user()函数原型：unsigned long copy_to_user(void *to,const void *from,unsigned long len) unsigned long copy_from_user(void *to,const void *from,unsigned long len)这两个函数用于内核空间与用户空间的数据交换。copy_to_user()用于把数据从内核空间拷贝至用户空间，copy_from_user()用于把数据从用户空间拷贝至内核空间。第一个参数to为目标地址，第二个参数from为源地址，第三个参数len为要拷贝的数据个数，以字节计算。这两个函数在内部调用access_ok()进行地址检查。返回值为未能拷贝的字节数。3.get_user()和put_user()函数原型：int get_user(x,p) int put_user(x,p)这是两个宏，用于一个基本数据（1，2，4字节）的拷贝。get_user()用于把数据从用户空间拷贝至内核空间，put_user()用于把数据从内核空间拷贝至用户空间。x为内核空间的数据，p为用户空间的指针。这两个宏会调用access_ok()进行地址检查。拷贝成功，返回0，否则返回-EFAULT。4.还有两个函数_copy_to_user()和_copy_from_user(),功能与copy_to_user()和copy_from_user()相同，只是不进行地址检查。还有两个宏_get_user()和_put_user(),功能与get_user()和put_user()相同，也不进行地址检查。/* * 数据倒置函数 */static void do_write(int num) int i; char tmp;/ printk(arg = %dn, num); for(i = 0; i 1); i+, num-) tmp = dev-mem_spacenum-1;dev-mem_spacenum-1 = dev-mem_spacei;dev-mem_spacei = tmp; static ssize_t memdriver_write(struct file *filp, const char _user *buff, size_t count, loff_t *offp) if(count MEM_DRIVER_SIZE)count = MEM_DRIVER_SIZE; /* * 将用户空间的数据拷贝到内核空间 */ if(copy_from_user(dev-mem_space, buff, count) printk(KERN_NOTICE memdriver:Copy data from user error!n);return -EFAULT; else printk(KERN_NOTICE memdriver:Copy %d bytes from user!n, count); return count;/* * 使用printk函数打印菱形 */static void do_logo(int height) int i, a, b, j; int h = height; for(i=1; i=h; i+) for(a = 1; a = (h-i); a+) printk( );for(b = 1; b = 1; j-) for(a = 1; a = (h-j); a+) printk( );for(b = 1; b mem_space, 0, MEM_DRIVER_SIZE); printk(KERN_NOTICE memdriver:Clear all memory!n); break;case _MEM_REVERSE: printk(KERN_NOTICE memdriver:Reverse the datan); printk(arg = %dn, arg); do_write(arg); break; case _MEM_LOGO: do_logo(10); break; default: return -EINVAL; return 0;MODULE_AUTHOR(muryo);MODULE_LICENSE(GPL);module_init(memdriver_init);module_exit(memdriver_exit);/模块编程要素，四个宏，两个函数*test_demo.c的源码如下：黑色粗字及彩色为注释/*/* *File:test_demo.c *Created:Tue 28 Dec 2010 02:17:49 PM CST *Author:muryo *Description: test all interfaces of driver_demo */#include #include #include #define BUF_SIZE32#define _MEM_CLEAR1/清除内存#define _MEM_REVERSE 5/数据倒置#define _MEM_LOGO3/打印菱形static void display(char *buf, int size) int i; int line = 0; printf(n*n); printf(%d:t, line); for(i = 0; i size; i+) printf(%dt, bufi);if(i+1) % 4 = 0) printf(n); printf(%d:t, line); line+; printf(n*n);int main(int argc, char *argv) int fd, i; int size = BUF_SIZE; char bufBUF