Linux字符设备驱动框架详解

所谓驱动程序，本质上讲是硬件接口，因为操作系统不可能实现每种硬件的接口，所以只对厂商提供接口，只要厂商实现这些接口，就可被操作系统调用，Linux系统驱动程序分为字符设备驱动和块设备驱动，所谓字符设备驱动就是例如键盘驱动，只能顺次读取数据，块设备驱动入硬盘等，可以随机分块读取。而有些程序虽然符合驱动程序规范，但却不真正驱动硬件，而是对操作系统功能的扩充，也称作内核模块。所以驱动程序和内核模块本质上讲属于同一种类别。操作系统对字符设备驱动提供 file_operations 结构，该结构成员大部分都是回调函数（以下代码摘自Linux 2.6.34内核源码）：
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 **）;};作为驱动程序，只需要实现部分回调函数，注册该结构体，用户态进程便可通过系统调用open，read等调用相应回调函数指针。首先，系统提供若干宏声明驱动程序的属性，如，入口，作者，描述信息等等。初始化程序原型为 static int __init initialization（void）;若初始化成功则返回0，否则返回错误码。
清理函数原型为static void __exit cleanup（void）;其中__init __exit是指定代码段属性的宏，当然也可不指定此属性。另外宏MODULE_AUTHOR指明作者等等实现该函数后便可通过宏指明入口点：module_init（initialization）;module_exit（cleanup）;最简单的驱动程序就是仅仅实现这两个函数，文件simple.c如下:#include<linux/init.h>#include<linux/module.h>static int __init initialization（void）{printk（KERN_INFO " init simple "）;return 0;}static void __exit cleanup（void）{printk（KERN_INFO " cleanup simple "）;}module_init（initialization）;module_exit（cleanup）;MODULE_AUTHOR（"alloc cppbreak@gmail.com"）;MODULE_DESCRIPTION（"A simple linux kernel module"）;MODULE_VERSION（"V0.1"）;MODULE_LICENSE（"Dual BSD/GPL"）;驱动的编译需要写Makefile文件，内容如下
obj-m := simple.o编译时需指定Linux内核源码所处位置：
make -C /usr/src/linux M=$PWD modules
其中/usr/src/linux为当前内核源码目录，$PWD为驱动程序所处目录，PWD为当前目录。执行成功后，会生成simple.ko文件，此文件即为驱动程序。加载驱动程序可执行 insmod simple.ko 卸载驱动执行 rmmod simple
命令 lsmod 可以查看目前系统加载的驱动程序，modinfo simple.ko 查看程序的基本信息，输出即为程序声明信息：filename: simple.kolicense:Dual BSD/GPLversion:V0.1description:A simple linux kernel moduleauthor: alloc cppbreak@gmail.comsrcversion: 95E3CE3AB899900656E9CADdepends:vermagic: 2.6.33.3-85.fc13.x86_64 SMP mod_unload在程序中调用了两次printk，为内核输出函数，这里的输出不会显示到控制台，只会输出到内核，可以通过读取/proc/kmsg文件查看信息，或者调用dmesg命令查看，此为内核跟踪错误的重要手段。KERN_INFO宏只是一个数字字符串，含义为日志级别，可以通过echo num > /proc/sys/kernel/printk 来控制输出信息的级别。当然，只有此两个函数只能正常加载卸载驱动程序，并没有任何意义，下面通过注册回调函数来实现字符设备的功能，只举一个简单的例子，实现open,read,close函数。根据file_operations结构成员的原型，这里我们需要实现如下回调：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函数为了简单起见不做任何处理，只是简单的输出kernel信息：int simple_open（struct inode * pnode, struct file * pfile）{printk（KERN_INFO "open simple "）;return 0;}int simple_release（struct inode * pnode, struct file * pfile）{printk（KERN_INFO "close simple "）;return 0;}