Linux字符設備驅動框架詳解

所謂驅動程序，本質上講是硬件接口，因為操作系統不可能實現每種硬件的接口，所以只對廠商提供接口，只要廠商實現這些接口，就可被操作系統調用，Linux系統驅動程序分為字符設備驅動和塊設備驅動，所謂字符設備驅動就是例如鍵盤驅動，只能順次讀取數據，塊設備驅動入硬盤等，可以隨機分塊讀取。而有些程序雖然符合驅動程序規范，但卻不真正驅動硬件，而是對操作系統功能的擴充，也稱作內核模塊。所以驅動程序和內核模塊本質上講屬於同一種類別。

操作系統對字符設備驅動提供 file_operations 結構，該結構成員大部分都是回調函數（以下代碼摘自Linux 2.6.34內核源碼）：

struct file_operations {
	struct module *owner;
	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 **);
};

作為驅動程序，只需要實現部分回調函數，注冊該結構體，用戶態進程便可通過系統調用open，read等調用相應回調函數指針。

首先，系統提供若干宏聲明驅動程序的屬性，如，入口，作者，描述信息等等。

初始化程序原型為 static int __init initialization(void);若初始化成功則返回0，否則返回錯誤碼。
清理函數原型為static void __exit cleanup(void);其中__init __exit是指定代碼段屬性的宏，當然也可不指定此屬性。

另外宏MODULE_AUTHOR指明作者等等

實現該函數後便可通過宏指明入口點：

module_init(initialization);
module_exit(cleanup);

最簡單的驅動程序就是僅僅實現這兩個函數，文件simple.c如下:

#include<linux/init.h>
#include<linux/module.h>

static int __init initialization(void)
{
	printk(KERN_INFO " init simple\n");
	return 0;
}

static void __exit cleanup(void)
{
	printk(KERN_INFO " cleanup simple\n");
}

module_init(initialization);
module_exit(cleanup);

MODULE_AUTHOR("alloc [email protected]");
MODULE_DESCRIPTION("A simple linux kernel module");
MODULE_VERSION("V0.1");
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

驅動的編譯需要寫Makefile文件，內容如下
obj-m := simple.o

編譯時需指定Linux內核源碼所處位置：
make -C /usr/src/linux M=$PWD modules
其中/usr/src/linux為當前內核源碼目錄，$PWD為驅動程序所處目錄，PWD為當前目錄。

執行成功後，會生成simple.ko文件，此文件即為驅動程序。

加載驅動程序可執行 insmod simple.ko 卸載驅動執行 rmmod simple
命令 lsmod 可以查看目前系統加載的驅動程序，modinfo simple.ko 查看程序的基本信息，輸出即為程序聲明信息：

filename:       simple.ko
license:        Dual BSD/GPL
version:        V0.1
description:    A simple linux kernel module
author:         alloc [email protected]
srcversion:     95E3CE3AB899900656E9CAD
depends:        
vermagic:       2.6.33.3-85.fc13.x86_64 SMP mod_unload

在程序中調用了兩次printk，為內核輸出函數，這裡的輸出不會顯示到控制台，只會輸出到內核，可以通過讀取/proc/kmsg文件查看信息，或者調用dmesg命令查看，此為內核跟蹤錯誤的重要手段。KERN_INFO宏只是一個數字字符串，含義為日志級別，可以通過echo num > /proc/sys/kernel/printk 來控制輸出信息的級別。

當然，只有此兩個函數只能正常加載卸載驅動程序，並沒有任何意義，下面通過注冊回調函數來實現字符設備的功能，只舉一個簡單的例子，實現open,read,close函數。

根據file_operations結構成員的原型，這裡我們需要實現如下回調：

int (*open) (struct inode *, struct file *);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);

open和close函數為了簡單起見不做任何處理，只是簡單的輸出kernel信息：

int simple_open(struct inode * pnode, struct file * pfile)
{
	printk(KERN_INFO "open simple\n");
	return 0;
}

int simple_release(struct inode * pnode, struct file * pfile)
{
	printk(KERN_INFO "close simple\n");
	return 0;
}