简单字符设备驱动程序的设计.doc

实验五：简单字符设备驱动程序的设计
实验学时：4
实验类型：（设计）
一、实验目的
1. 理解设备驱动程序的处理过程；
2. 掌握Linux设备驱动程序开发的基本过程和设计方法；
3. 学会编写简单的字符设备驱动程序。
二、实验条件
Linux操作系统 gcc
三、实验原理及相关知识
设备驱动程序是I/O进程与设备控制器之间的通信程序。
驱动程序的功能：
⑴ 接收由设备独立性软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为具体的要求。
⑵ 检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关参数，设置设备的工作方式。
⑶ 发出I/O命令。
⑷ 及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。
⑸ 对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根据用户的I/O请求，自动地构建通道程序。
设备驱动程序的处理过程：
⑴ 将抽象要求转换为具体要求
⑵ 检查I/O设备请求的合法性
⑶ 读出和检查设备的状态
⑷ 传送必要的参数
⑸ 工作方式的设置
⑹ 启动I/O设备
Linux系统中，设备驱动程序是操作系统内核的重要组成部分，它与硬件设备之间建立了标准的抽象接口。通过这个接口，用户可以像处理普通文件一样，对硬件设备进行打开(open)、关闭(close)、读写(read/write)等操作。
通常设备驱动程序接口是由结构file_operations结构体向系统说明的，它定义在include/linux/fs.h中。file_operations的数据结构如下：
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);
...
};
⑴ open 入口点：
open函数负责打开设备、准备I/O。任何时候对设备文件进行打开操作，都会调用设备的open入口点。所以，open函数必须对将要进行的I/O操作做好必要的准备工作，如清除缓冲区等。如果设备是独占的。则open函数必须将设备标记成忙状态。
⑵ close入口点
close函数负责关闭设备的操作，当最后一次使用设备完成后，调用close函数，关闭设备文件。独占设备必须标记为可再次使用。
close()函数作用是关闭打开的文件。
⑶ read入口点
read函数负责从设备上读数据和命令，有缓冲区的I/O设备操作一般是从缓冲区里读数据。
⑷ write入口点
write函数负责往设备上写数据。对于有缓冲区的I/O设备操作，一般是把数据写入缓冲区里。对字符设备文件进行写操作将调用write函数。
⑸ ioctl入口点
ioctl函数执行读、写之外的操作，主要实现对设备的控制。
四、实验步骤
(1) file_operations结构体设计
(2) 模块初始化、模块卸载函数实现
(3) 读写函数的实现
(4) 测试程序编写
(5) 驱动程序编译和加载
(6) 驱动程序测试
实验报告要求：
(1) 驱动程序工作理说明
(2) 驱动程序中使用的数据结构及符号说明。
(3) 流程图。
(4) 源程序并附上注释。
(5) 程序运行结果和分析。

五、思考题及其它
块设备驱动程序的设计。
附件
（1）驱动程序string.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <asm/uaccess.h>
MODULE_LICENSE("GPL");

#define MAJOR_NUM 254 //主设备号

static char str[20]="Hello,Wrold!"; //"string"设备的数组

static ssize_t string_read(struct file *filp, char *buf,size_t len,loff_t *loff) //读函数
{
//将str[]中的内容从内核空间复制到用户空间
if (copy_to_user(buf, &str, sizeof(str)))
{
return -1;
}
return sizeof(str);
}

static ssize_t string_write(struct file *filp,const char *buf,size_t len,loff_t *off) //写函数
{
//将用户空间的数据复制到内核空间的str[]数组中
if(copy_from_user(&str,buf,sizeof(str)))
{
return -1;
}
return sizeof(str);
}
//初始化字符设备驱动的file_operations结构体

struct file_operations string_fops=
{
read: string_read, //将标准的读取函数指向对应于设备的具体函数
write: string_write, //将标准的写函数指向对应于设备的具体函数
};

static int __init string_init(void)
{
int ret;
//注册设备驱动
ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "string", &string_fops);
if (ret)
{
printk("string register failure"); //注册失败
}
else
{
printk("string register success"); //注册成功
}
return ret;
}

static void __exit string_exit(void)
{
int ret;
//销毁设备驱动
ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "string");
if (ret)
{
printk("string unregister failure");
}
else
{
printk("string unregister success");
}
}
module_init(string_init);
module_exit(string_exit);

（2）测试程序test.c：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h> //包括文件操作函数，如open()、close()、read()等
main()
{
int fd;
char str[20];
//打开”/dev/string”
fd = open("/dev/string", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR); //打开设备文件
if (fd != -1 ) //打开设备文件成功
{
read(fd, &str, sizeof(str)); //初次读str[]
printf("The string is :%s\n", str);
printf("Please input the string to the sentence:\n");
scanf("%s", &str);
write(fd, &str, sizeof(str)); //写str[]
read(fd, &str, sizeof(str)); //再次读str[]
printf("The string is :%s\n", str);
//关闭”/dev/string”
close(fd);
}
else //打开设备文件失败
{
printf("Device open failure\n");
}
}
（3）调试说明
编译驱动程序string.c（如图1）：

图1 编译驱动程序

模块加载（如图2）

图2 编译驱动程序模块加载

如果加载成功，就会在/proc/devices中看到该设备：
使用命令：cat /proc/devices查看（如图3）

图3 查看设备

可以看到多了“254 string”一行，说明设备驱动模块加载成功。
接着创建设备结点，用户进程就可以通过这个结点访问到字符数组的虚拟设备了：
创建设备结点可以使用如下命令：mknod /dev/string c 254 0（如图4）

图4 创建设备结点

至此设备驱动模块加载完成；为了验证驱动程序的正确性，下面进行测试。
首先编译测试文件test.c，使用命令 ：gcc test.c –o test.o （如图 5）

图5 编译测试程序

编译完成后生成一个test.o 的文件，运行该文件：
使用命令：./test.o （如图 6）

图6 运行测试程序

可以看到初始化时str[]为”Hello,Wrold!”，所以读取的字符串为Hello,Wrold!。此时按照提示输入新数值：“First，test！”情况如下：（如图 7）

图7 运行测试程序

可以看到用户输入字符串到设备后，程序可以读取到该字符串，说明驱动程序编写成功。
当不需要该设备驱动程序时可以卸载该驱动，使用命令为：rmmod string（如图8 ）

图8 卸载驱动

此时驱动程序已被卸载，若再试图操作该设备则情况如下：（如图 9）

图9 测试驱动程序

可以看到提示“Device open failure”字样，这是因为驱动程序已被卸载，所以无法对设备进行操作，即打开设备文件失败。

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