Linux內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動之高級字符設(shè)備驅(qū)動筆記整理

/******************
 * 高級字符設(shè)備驅(qū)動
 ******************/

(1)ioctl

除了讀取和寫入設(shè)備外，大部分驅(qū)動程序還需要另外一種能力，即通過設(shè)備驅(qū)動程序執(zhí)行各種類型的硬件控制。比如彈出介質(zhì)，改變波特率等等。這些操作通過ioctl方法支持，該方法實(shí)現(xiàn)了同名的系統(tǒng)調(diào)用。

在用戶空間，ioctl系統(tǒng)調(diào)用的原型是：

• int ioctl(int fd, unsigned long cmd, ...);
• fd: 打開的設(shè)備文件描述符
• cmd: 命令
• 第三個參數(shù)：根據(jù)不同的命令，可以是整數(shù)或指針，也可以沒有。
• 采用"..."的方式只是用于避免編譯器報錯。

驅(qū)動程序的ioctl方法原型和用戶空間的版本有一些不同：

int (*ioctl) (struct inode *inode,    
      struct file *filp, 
      unsigned int cmd,
      unsigned long arg);
inode/filp: 對應(yīng)用戶空間的fd
cmd: 對應(yīng)用戶空間傳來的cmd
arg: 對應(yīng)傳來的cmd參數(shù)

大多數(shù)ioctl的實(shí)現(xiàn)中都包括一個switch語句，用于根據(jù)cmd參數(shù)選擇對應(yīng)的操作。用戶空間和內(nèi)核空間的命令號要一致。

(2)選擇ioctl的命令號

在編寫ioctl的代碼之前，要選擇對應(yīng)不同命令的編號。不能簡單地從0或1開始選擇編號，因?yàn)閘inux要求這個命令號應(yīng)該在系統(tǒng)范圍內(nèi)唯一。linux內(nèi)核采用約定方法為驅(qū)動程序選擇ioctl號，可以參考include/asm/ioctl.h和Documentation/ioctl-number.txt。

一個ioctl號為32位，linux將其分成4個部分，構(gòu)建一個ioctl號碼所需要的宏都定義在<linux/ioctl.h>：

• type 8位幻數(shù)。其實(shí)就是為你的驅(qū)動選定一個號碼。參考ioctl-number.txt
• number 8位序數(shù)。
• direction 2位。定義了數(shù)據(jù)的傳輸方向。如_IOC_NONE(沒有數(shù)據(jù)傳輸)，_IOC_READ|_IOC_WRITE(雙向數(shù)據(jù)傳輸)。注意這個方向是對用戶而言的，所以IOC_READ意味著從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，驅(qū)動應(yīng)該向用戶空間寫入數(shù)據(jù)。
• size 14位。所涉及的用戶數(shù)據(jù)大小。

可以采用<linux/ioctl.h>中的宏構(gòu)建一個ioctl號

• _IO(type, nr)
• _IOR(type,nr,datatype)
• _IOW(type,nr,datatype)

返回值

對于系統(tǒng)調(diào)用來說，正的返回值是首保護(hù)的，而負(fù)值被認(rèn)為是一個錯誤，并被用來設(shè)置用戶空間的error變量。如果在調(diào)用ioctl方法時傳入了沒有定義的ioctl號，則系統(tǒng)返回的錯誤值為-ENVAL和-ENOTTY

(3)阻塞和非阻塞型操作

對于read和write等操作，默認(rèn)的操作是阻塞型的，其特性是：

*如果一個進(jìn)程調(diào)用了read但還沒有數(shù)據(jù)可讀，則此進(jìn)程必須阻塞。數(shù)據(jù)到達(dá)時進(jìn)程被喚醒，并把數(shù)據(jù)返回給調(diào)用者，即使數(shù)據(jù)數(shù)目少于count參數(shù)指定的數(shù)據(jù)也會返回。

*如果一個進(jìn)程調(diào)用了write但緩沖區(qū)沒有空間，則此進(jìn)程必須阻塞，而且必須休眠在與讀進(jìn)程不同的等待隊列上。當(dāng)向硬件設(shè)備寫入一些數(shù)據(jù)，從而騰出了部分輸出緩沖區(qū)后，進(jìn)程即被喚醒，write調(diào)用成功。

有時我們希望改變這一特性，將其改為非阻塞型的，這樣，無論設(shè)備是否有數(shù)據(jù)可讀寫，read/write方法都馬上返回。

如果希望設(shè)定某個文件是非阻塞的，則應(yīng)設(shè)定filp->f_flags的O_NONBLOCK標(biāo)志。處理非阻塞型文件時，應(yīng)用程序調(diào)用stdio函數(shù)必須非常小心，因?yàn)楹苋菀装岩粋€非阻塞型的返回誤認(rèn)為是EOF，所以必須始終檢查errno。

(4)異步通知

a.異步通知的作用

大多數(shù)時候阻塞型和非阻塞型操作的組合以及select方法可以有效查詢設(shè)備，但有時候用這種技術(shù)效率就不高了。在面對某些隨機(jī)或很少出現(xiàn)的情況時(如通過鍵盤輸入CTRL+C)，則需要采用異步通知(asynchronous notification)。

b.用戶空間程序如何啟動異步通知

為了啟動文件的異步通知機(jī)制，用戶程序必須執(zhí)行兩個步驟:

• 01.指定一個進(jìn)程作為設(shè)備文件的 "屬主(owner)"。當(dāng)進(jìn)程使用fcntl系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行F_SETOWN命令時，屬主進(jìn)程的進(jìn)程ID號就被保存在 filp->f_owner中。這一步是必需的，目的是讓內(nèi)核知道該通知誰。
• 02.為了真正啟動異步通知機(jī)制，用戶程序還必須在設(shè)備中設(shè)置FASYNC標(biāo)志，這是通過fchtl命令F_SETFL完成的。執(zhí)行完這兩步后，設(shè)備文件就可以在新數(shù)據(jù)到達(dá)時請求發(fā)送一個SIGIO信號。該信號被送到存放在file->f_owner中的進(jìn)程（如果是負(fù)值就是進(jìn)程組）。不是所有的設(shè)備都支持異步通知，應(yīng)用程序通常假設(shè)只有套接字和終端才有異步通知能力.

(5)驅(qū)動程序中如何實(shí)現(xiàn)異步通知

a.用戶空間操作在內(nèi)核的對應(yīng)

• 01.當(dāng)設(shè)定F_SETOWN時，對file->f_owner賦值
• 02.執(zhí)行F_SETFL以啟動FASYNC時，調(diào)用驅(qū)動程序的fasync方法。只要filp->f_flags中的FASYNC標(biāo)志(文件打開時，默認(rèn)為清除)發(fā)生了變化，就會調(diào)用該方法。
• 03.當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時，由內(nèi)核發(fā)送一個SIGIO信號給所有注冊為異步通知的進(jìn)程

b.在設(shè)備結(jié)構(gòu)體中加入fasync_struct的指針

該結(jié)構(gòu)在<linux/fs.h>中定義：

struct fasync_struct {
int magic;
int fa_fd;
struct fasync_struct *fa_next;
struct file *fa_file;
};

c.驅(qū)動要調(diào)用的兩個函數(shù)

這兩個函數(shù)在<linux/fs.h>中聲明。

定義在/fs/fcntl.c中。

原型如下：

• 01. int fasync_helper(int fd, struct file *filp, int mode, struct fasync_struct **fa);
• 02. void kill_fasync(struct fasync_struct **fa, int sig, int band);

當(dāng)一個打開文件的FASYNC標(biāo)志被修改，調(diào)用fasync_helper以便從相關(guān)的進(jìn)程列表中增加或刪除文件，而kill_fasync在數(shù)據(jù)到達(dá)時通知所有相關(guān)進(jìn)程。

d.例子

01.在設(shè)備類型中定義fasync_struct動態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

struct my_pipe {
  struct fasync_struct *async_queue; /* 異步讀取結(jié)構(gòu) */
......
};

02.驅(qū)動中的fasync函數(shù)調(diào)用fasync_helper

int my_fasync(fasync_file fd, struct file *filp, int mode)
{
  my_pipe *dev = filp->private_data;
  return fasync_helper(fd, filp, mode, &dev->async_queue);
}

03.符合異步通知條件時調(diào)用kill_fasync

異步通知的是一個讀進(jìn)程，所以要用write發(fā)送kill_fasync。

調(diào)用kill_fasync向所有注冊在設(shè)備上的異步隊列async_queue中的進(jìn)程發(fā)送信號SIGIO。

ssize_t my_write(struct file *filp, const char *buf, size_t count,
        loff_t *f_pos)
{
......
if (dev->async_queue)
    kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN); 
    ......
}

04.關(guān)閉文件時必須調(diào)用fasync方法

當(dāng)關(guān)閉文件時必須調(diào)用fasync方法，以便從活動的異步讀進(jìn)程列表中刪除該文件。

在release中調(diào)用：scull_p_fasync(-1, filp, 0);

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，謝謝大家對腳本之家的支持。如果你想了解更多相關(guān)內(nèi)容請查看下面相關(guān)鏈接