驱动基础知识学习笔记

admin · 发表于 2019-9-27 15:09

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一，知识结构

二、驱动分类可分为：字符驱动、块设备驱动、网络设备驱动

字符设备驱动以字符为访问单位(一个字符可能对应多个字节)进行顺序访问，不能随机读取。

块设备驱动：以块为访问单位(块可以在内核中进行配置)，通常512字节，或者更大的2的N次方。

块设备可以随机读取。在linux中块设备也可以以字节为单位进行访问，块设备跟字符设备

主要区别是访问接口的不同，并且块设备可以随机访问。

网络设备：网络设备是以网络接口为访问对象的。可以是一个物理实体，也可以是存软件，例如linux下的lo设备是个存软件的网络设备。

三、驱动的安装方式

1.驱动可以直接被编译内核，也可以以模块的方式安装，驱动设计的模型跟内核模块设计一样，入口都为module_init(),出口为module_exit();如果想要把驱动编译进内核，需要配置相应的Kconfig 跟config还有makefile文件。

四、字符设备驱动程序

字符设备驱动设计流程：

设备号：设备号是一个unsigned 型，高12位为住设备号，低20位为次设备号，linux系统提供了MAJOR(dev_t num) ,MINOR(),MKDEV(major,minor).来提取跟分离设备号。其中，主设备号是表明设备类型，是建立应用程序跟设备程序的纽带，往往我们有一个产品中有多个一样的设备，那么我们通常只有一套驱动程序，一个主设备号。通过不同的次设备号来区分访问不同的物理接口。一个主+次设备号对应一个设备文件。

首先申请设备号，可以通过 alloc_chdev_region(dev_t* dev，unsinged from ，unsigned count ，char* name)设备方法动态申请设备号，当然，也可以用函数 register_chdev_region(dev_t num,unsigned count,char* name)来静态注册设备号。在静态注册前需要通过cat /dev/ 来查看当前没有使用的设备号，才能分配给我们的设备，要不然，可能会产生设备号重复，而使我们的设备不能加载进内核。设备注销时需要释放设备号unregister_chdev_region(dev_t num,int cout);

2.设备初始化申明结构体 struct cdev cdev(如果申明为指针在使用前要注意分配内存)，定义结构体 struct file_operations file_ops={

.open = mem_open,

.read = mem_read,

.write = mem_write,

.ioctl = mem_ioctl,

.release = mem_release,

.llseek = mem_lseek,

｝;并初始化功能函数,为对功能函数初始化的，默认为NULL,

然后初始化设备 init_cdev(&cdev,&file_ops),指定模块所有者为模块本身 cdev.owner = THIS_MODULE;

初始化完成后，添加模块：cdev_add(struct cdev* cdev,dev_t dev_num,unsigned count);此时，模块注册已经完成。

在设备卸载时需要释放模块cdev_del(struct cdev* cdev);

3\需要注意的三个重要结构

1.struct file 在打开文件时由系统创建，代表当前打开文件的相关读写信息。在文件关闭后释放。重要成员 loff_t f_pos;当前读写位置，struct file_operations* f_op;

2.struct innode 结构，表示文件的物理信息，一个文件可以对应多个struct file 但只能对应一个 struct innode。重要成员 dev_t ir_dev;

3.struct file_operations 是一个函数指针集合，实现驱动相关函数。在设备添加中，我们讲 file_ops结构传给了cdev结构，但如何再传给struct file结构体的，还不明确，需要再深入研究。

应用程序在调用库函数fread时最后都会使用到系统调用read然后关联vfs_read,最后将file_operation结构里面的函数关联起来。

设备文件的创建：设备文件可以通过两种方式创建，一种是手工创建设备文件 mknod name c major minor

另一种是自动创建设备文件，分三部完成：

struct class *myclass ;

class_create(THIS_MODULE, “my_device_driver”);

device_create(myclass, NULL, MKDEV(major_num, minor_num), NULL, “my_device”);

这样的module被加载时，udev daemon(在嵌入式linux中是mdev，自动创建设备节点实际上是应用层面进行的。需要在busybox里面配置号相关选项才可可以)就会自动在/dev下创建my_device设备文件。

我们在刚开始写Linux设备驱动程序的时候，很多时候都是利用mknod命令手动创建设备节点，实际上Linux内核为我们提供了一组函数，可以用来在模块加载的时候自动在 /dev目录下创建相应设备节点，并在卸载模块时删除该节点，当然前提条件是用户空间移植了udev。

内核中定义了struct class结构体，顾名思义，一个struct class结构体类型变量对应一个类，内核同时提供了class_create(…)函数，可以用它来创建一个类，这个类存放于sysfs下面，一旦创建好了这个类，再调用device_create(…)函数来在/dev目录下创建相应的设备节点。这样，加载模块的时候，用户空间中的udev会自动响应 device_create(…)函数，去/sysfs下寻找对应的类从而创建设备节点。

注意，在2.6较早的内核版本中，device_create(…)函数名称不同，是class_device_create(…)，所以在新的内核中编译以前的模块程序有时会报错，就是因为函数名称不同，而且里面的参数设置也有一些变化。

其中，读写等，有从用户空间向内核空间传递地址的，地址在使用前必须做有效性检测(因为应用空间使用的是虚拟地址，有可能地址已经被释放了)

检测方法： _access_ok(void* start,)_access_ok(unsigned long addr, unsigned long size)

其中 copy_from_user(void*to ，void* from，size_t size)，copy_to_user 都包含了参数检测功能，但__puts_user(),__get_user(),函数并未做参数有效性检测。

file_operations 重要函数指针原型：

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

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

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

ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);

ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);

int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);

unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);

long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

int (*open) (struct inode *, struct file *);

int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);

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

int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);

int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);

int (*fasync) (int, struct file *, int);

int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);

ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);

unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);

int (*check_flags)(int);

int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);

ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);

ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);

int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);

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