实验八Linux模块和设备驱动程序

1、实验八 Linux 模块和设备驱动程序一. 实验目的1. 通过实验了解 linux 下文件驱动程序的框架；2. 通过驱动程序的编写，理解linux对设备管理的方式；3. 理解设备驱动程序中与内核交互部分。二. 实验指导Linux是Unix操作系统的一种变种，在Linux下编写驱动程序的原理和思想 完全类似于其他的Unix系统，但它和dos或window环境下的驱动程序有很大 的区别。1. Linux 设备在 Linux 中，用户进程不能直接对物理设备进行操作，必须通过系统调用向 内核提出设备请求，由内核实现对物理设备的分配并完成进程请求的操作。在内 核中实现对设备进行操作的一组程序称为设备驱动程序。系统调用是操作系统内 核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接 口，为应用程序屏蔽了硬件的细节，在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文 件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内 核的一部分，它完成以下的功能: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的数据和回送应用程序请求的数 据

2、4）检测和处理设备出现的错误在Linux系统把设备分为3类：块设备、字符设备和网络设备。每类设备都 有独特的管理控制方式和不同的驱动程序。字符设备：以字符为单位进行输入输出的设备，并且以字符为单位对设备中 的信息进行组织和处理。包括：显示器、键盘、打印机、绘图仪、串口等。通常 对字符设备传送的数据是顺序处理。字符设备以访问文件的方式访问。块设备：以一定大小的数据块为单位进行输入输出，设备中的数据也以物理 块为单位进行组织和管理。块设备可以采取随机存取方法。包括硬盘、软盘、光 盘、RAM盘等。通常作为外存使用，Linux文件系统建立在外存中，块设备通 过文件系统访问。为匹配 CPU 与块设备间的速度差异，通常使用缓冲区传送数 据。网络设备：与网络通信线路连接的网络适配器。Linux使用套接口以文件I/O 方式提供对网络数据的访问。本实验主要介绍字符设备驱动程序的编写方法。2. 有关设备操作的系统调用在 Linux 系统中，应用程序操作设备就是访问设备对应的设备文件，与操作普通文件的访问方式基本相似。设备访问的系统调用主要如下：打开设备系统调用open:实现分配和打开设备的功能；读设备系统

3、调用read:从设备读取数据；写设备系统调用write:向设备写数据；设备控制系统调用ioctl:控制设备的工作模式和状态； 关闭设备系统调用close：释放设备，将设备归还系统。3. Linux 设备驱动程序的构成Linux 系统的每个系统调用都有一个相应的内核函数实现该系统调用的功 能。Linux设备驱动程序需要实现的内核函数由以下结构定义：struct file_operations int (*lseek) (struct inode * ,struct file *, off_t ,int);int (*read) (struct inode * ,struct file *, char * ,int);/读例程，实现读系统调用int (*write) (struct inode * ,struct file *, const char * ,int); /写例程， 实现读写系统调用int (*readdir) (struct inode * ,struct file *, void *, filldir * ,int);int (*select) (struct inode

4、 * ,struct file *, int ,select_table *);int (*ioctl) (struct inode * ,struct file *, unsined int ,unsigned long); / 控制例程，实现设备控制int (*mmap) (struct inode * ,struct file *, struct vm_area_struct *);/释放例程，设程，打开设备int (*release) (struct inode * ,struct file *);备释放int (*fsync) (struct inode * ,struct file *); int (*fasync) (struct inode * ,struct file *,int); int (*check_media_change) (kdev_t dev);int (*revalidate) (dev_t dev);可根据实际情况只实现必不可少的部分内核函数。如果int ini t_module(void)/ 驱动程序可以按照两种方式编译。一种是编译进ke rn

5、el，另一种是编译成模 块(modules)。如果编译进内核的话，会增加内核的大小，还要改动内核的源文 件，而且不能动态的卸载，不利于调试，所以使用模块方式。采用模块方式还需 要编写2 个例程： init_module例程：加载设备驱动程序模块时执行； cleanup_module例程：卸载设备驱动程序时模块。4. 与设备有关的数据结构Linux 系统中与设备操作有关的数据结构如图 8.1所示，包括如下几部分：(1) 设备文件通常位于/dev目录下，如/dev/mydrv，是用户程序或用户命令操作设备的接 口。可以像操作普通文件一样来操作设备，一般先使用open系统调用打开设备， 然后使用read、write、ioctl等系统调用控制设备和读写设备，最后使用close系 统调用关闭设备。设备文件在外存上并没有存放信息的数据块，只包含一个主设备号和一个次 设备号。主设备号用于指明在该设备对应设备注册表的哪一个设备。如图8.1 中 设备文件mydrv的主设备号是1,对应设备注册表中的1号设备。次设备号表示 该设备是同类设备中的第几个设备。crw-rw1 root lp 1,3 Jul 18

6、 2002 /dev/mydrv字符设备注册表 chrdevs1254255图8.1 Linux系统中与设备驱动有关的数据结构(2) 字符设备注册表 chrdevsLinux系统支持的所有字符设备都需要在字符设备注册表中注册，这是Linux 内核中的一个数组，是设备在 Linux 系统是否存在的唯一标志。每个数组元素代 表一类设备，数组元素的下标就是主设备号。设备注册表中保存了设备名和设备 的 file_operations 结构的操作函数指针。(3) file_operations是 Linux 内核中的数据结构，保存了设备各操作内核函数的指针。每类设备 都有一个 file_operations 结构。(4) 设备驱动程序例程 对有关操作设备的每一个系统调用都在该设备的驱动程序中有一个对应的内核例程。在安装设备驱动程序时要把设备驱动程序的各个例程加载到内核中。因此，安装设备驱动程序的主要工作包括以下 3 个方面：将设备加载到Linux内核对设备进行注册 创建设备文件5. 设备访问过程根据图 8.1，不难理解硬件设备的访问过程。(1) 打开设备：当用户程序执行open()系统调用时，从

7、设备文件中得到主设 备号，访问字符设备注册表，得到设备的 file_operations 数据结构，其中含有该 设备驱动程序各例程的指针。(2) 读设备：当用户程序执行read()系统调用时，将调用该设备驱动程序的 read()例程。read()例程从设备读入数据到内核缓冲区，再从内核缓冲区传给用户 程序的缓冲区。(3) 写设备：当用户程序执行write()系统调用时，将调用该设备驱动程序的 write()例程。write()例程从用户缓冲区把数据复制到内核缓冲区，再从内核缓冲 区把数据输出到硬件设备。设备控制：当用户执行设备控制系统调用ioctl()时，ioctl()例程从用户态 复制命令和数据到内核，再对设备进行操作。6. 设备驱动程序中可引用的函数和数据结构 设备驱动程序不在用户态运行，而在操作系统内核运行，不能访问系统的任 何程序库，因此平常编写应用程序能够调用的所有库函数几乎都不能在设备驱动 程序中调用。如 printf、scanf、atoi、open、fopen 等函数都不可使用。设备驱动 程序不能包含系统 include 目录下的 stdio.h、stdlib.h 等头文

8、件。设备驱动程序只能调用Linux内核代码中实现的函数和例程。声明这些函数 和例程的头文件通常在include/linux和include/asm目录下。设备驱动程序需要调用的函数和例程主要有以下几类：(1) 设备注册和卸载函数#include int register_chrdev(unsigned int major, const char *name , struct file_operations *fops); /设备注册注册设备，在设备注册表的major位置设置设备名和设备操作指针, /参数:：/major :希望获得的设备号，如果是零的话，系统将选择一个没有 被占用的设备号返回。/name:设备文件名，/fops： : 用来登记驱动程序实际执行操作的函数的指针。如果登记/号，不成功，返回一个负值unregister_chrdev(int major, char *name);/设备卸载/参数为设备的主设备号和设备名(2) 用户空间与内核空间之间复制数据函数#include unsigned long copy_from_user (void *to, const void

9、 *from, unsigned longcount);将数据从用户态存储器fro m复制到核心态存储器tounsigned long copy_to_user (void *to, const void *from, unsigned long count);将数据从核心态存储器fro m复制到用户态存储器to(3) 操作硬件设备函数读写I/O 口的函数#include unsigned inb(unsigned port);/从 I/O 端口 port 读入一个字节的数据并返回该数据void outb(unsigned char byte, unsigned port); /向 I/O 端口 port 写一个字 节的数据 byteunsigned inw(unsigned port);void outw(unsigned short word, unsigned port);unsigned inl(unsigned port);void outl(unsigned doubleword, unsigned port);unsigned inb_p(unsigned port);在内存和I/O端口之间传递字符串.void insb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);从设备的I/O端口 port读入count个字节的数据存入addr指定的内核存储器位置void outsb(unsigned port, void *addr, unsigned long count);/将 addr 指定的内核存

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