linux字符设备驱动专业课程设计方案报告.docx

一、 课程设计目标Linux 系统开源性使其在嵌入式系统开发中得到了越来越广泛应用，但其本身并没有对种类繁多硬件设备全部提供现成驱动程序，尤其是因为工程应用中灵活性，其驱动程序更是难以统一，这时就需开发一套适合于自己产品设备驱动。对用户而言，设备驱动程序隐藏了设备具体细节，对多种不一样设备提供了一致接口，通常来说是把设备映射为一个特殊设备文件，用户程序能够像对其它文件一样对此设备文件进行操作。经过这次课程设计能够了解linux模块机制，知道怎样加载模块和卸载模块，深入熟悉模块相关操作。加深对驱动程序定义和设计了解，了解linux驱动编写过程，提升自己动手能力。二、 课程设计内容和要求字符设备驱动程序 1、设计目标：掌握设备驱动程序编写、编译和装载、卸载方法，了解设备文件创建，并知道怎样编写测试程序测试自己驱动程序是否能够正常工作 2、设计要求： 1) 编写一个简单字符设备驱动程序，该字符设备包含打开、读、写、IO控制和释放五个基础操作。 2) 编写一个测试程序，测试字符设备驱动程序正确性。 3) 要求在试验汇报中列出Linux内核版本和内核模块加载过程。三、 系统分析和设计 1、系统分析 系统调用是操作系统内核和应用程序之间接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件细节，这么在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序能够象操作一般文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核一部分，它完成以下功效:1、对设备初始化和释放；2、把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据；3、读取应用程序传送给设备文件数据和回送应用程序请求数据；4、检测和处理设备出现错误。字符设备提供给应用程序是一个流控制接口，关键包含op e n、clo s e（或r ele as e）、r e ad、w r i t e、i o c t l、p o l l和m m a p等。在系统中添加一个字符设备驱动程序，实际上就是给上述操作添加对应代码。对于字符设备和块设备，L i n u x内查对这些操作进行了统一抽象，把它们定义在结构体fi le_operations中。2、系统设计：2.1、模块设计： 打开设备 读操作 写操作I/O控制 释放设备字符设备驱动2.2数据结构说明字符设备驱动关键应用了三种数据结构：file_operations结构，这是设备驱动程序所提供一组用一个结构向系统进行说明入口点；file结构，关键用于和文件系统对应设备驱动程序。代表一个打开文件，它由内核在open时创建，并传输给在该文件上进行操作全部函数，直到碰到最终close函数。在文件全部实例全部被关闭以后，内核会释放这个数据结构； inode结构，提供了相关特殊设备文件/dev/mydev信息。各个结构定义以下：（1）file_operations结构：static const struct file_operations my_fops = .owner = THIS_MODULE, .llseek = my_llseek, .read = my_read, .write = my_write, .open = my_open, .release = my_release, .unlocked_ioctl = ioctl,;（2）file结构：1）读static ssize_t my_read(struct file *filp, char _user *buf, size_t size, loff_t *ppos) 2）写static ssize_t my_write(struct file *filp, const char _user *buf, size_t size, loff_t *ppos) 3）seek文件定位static loff_t my_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)4）IO控制static int ioctl (struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)（3）inode结构：1） 打开int my_open(struct inode *inode, struct file *filp)2） 释放int my_release(struct inode *inode, struct file *filp)2.3、算法步骤图：结束文件释放函数ly_release()设备驱动模块卸载函数mydev_exit()开始设备驱动模块加载函数ly_init()文件打开函数ly_open()读函数ly_read()写函数ly_write()Seek文件定位函数ly_llseek()IO控制函数Ioctl()四、系统测试和调试分析4.1 系统测试4.1.1开启超级管理员模式并输入密码命令：sudo su4.1.2对源程序进行编译命令：make4.1.3加载驱动程序并查看命令：insmod lydev.ko和lsmod4.1.4显示主设备号命令：cat /proc/devices4.1.5创建节点并查看命令：mknod /dev/lydev 55 0和cd /dev4.1.6编译测试程序命令：gcc o t test.c4.1.7运行测试函数命令：./t4.1.8进行打开设备操作命令：14.1.9进行写操作并输入hello命令：24.1.10进行读操作命令：34.1.11进行I/O控制命令：44.1.12进行释放设备操作命令：54.1.13进行退出操作命令：64.1.14卸载驱动程序命令：rmmod lydev4.1.15查看日志命令：dmesg4.1.16删除节点并查看命令：rm lydev和ls4.2调试分析 最开始时候没有启用sudo模式，造成很多命令不能实施，启用模式时候需要输入密码，不过输入密码时候是不显示东西认为犯错，查阅资料以后才知道是应有现象。程序测试一遍以后再次测试很多命令不能实施，原因是第一次测试以后产生多种文件没有删除，再次测试会显示已存在。有一次测试程序，不能卸载驱动，用lsmod查看有两个进程使用，以后强制关机才能正常使用，原因不明，以后要加强学习。五、程序清单1.主程序#include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include lydev.h#define SCULL_IOC_MAGIC k#define SCULL_IOCRESET _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 0)#define SCULL_IOCSQUANTUM _IOW(SCULL_IOC_MAGIC, 1, int)#define SCULL_IOCSQSET _IOW(SCULL_IOC_MAGIC, 2, int)#define SCULL_IOCTQUANTUM _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 3)#define SCULL_IOCTQSET _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 4)#define SCULL_IOCGQUANTUM _IOR(SCULL_IOC_MAGIC, 5, int)#define SCULL_IOCGQSET _IOR(SCULL_IOC_MAGIC, 6, int)#define SCULL_IOCQQUANTUM _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 7)#define SCULL_IOCQQSET _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 8)#define SCULL_IOCXQUANTUM _IOWR(SCULL_IOC_MAGIC, 9, int)#define SCULL_IOCXQSET _IOWR(SCULL_IOC_MAGIC,10, int)#define SCULL_IOCHQUANTUM _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 11)#define SCULL_IOCHQSET _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 12)#define SCULL_IOC_MAXNR 14static int ly_major = 55;module_param(ly_major, int, S_IRUGO);struct ly_dev *ly_devp; /*设备结构体指针*/struct cdev cdev;static int ioctl (struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg);/*文件打开函数*/int ly_open(struct inode *inode, struct file *filp) struct ly_dev *dev; /*获取次设备号*/ int num = MINOR(inode-i_rdev); if (num = MYDEV_NR_DEVS) return -ENODEV; dev = &ly_devpnum; /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/ filp-private_data = dev; return 0;/*文件释放函数*/int ly_release(struct inode *inode, struct file *filp) return 0;/*读函数*/static ssize_t ly_read(struct file *filp, char _user *buf, size_t size, loff_t *ppos) unsigned long p = *ppos; unsigned int count = size; int ret = 0; struct ly_dev *dev = filp-private_data; /*取得设备结构体指针*/ /*判定读位置是否有效*/ if (p = MYDEV_SIZE) return 0; if (count MYDEV_SIZE - p) count = MYDEV_SIZE - p; /*读数据到用户空间*/ if (copy_to_user(buf, (void*)(dev-data + p), count) ret = - EFAULT; else *ppos += count; ret = count; printk(KERN_INFO read %d bytes(s) from %lxn, count, p); return ret;/*写函数*/static ssize_t ly_write(struct file *filp, const char _user *buf, size_t size, loff_t *ppos) unsigned long p = *ppos; unsigned int count = size; int ret = 0; struct ly_dev *dev = filp-private_data; /*取得设备结构体指针*/ /*分析和获取有效写长度*/ if (p = MYDEV_SIZE) return 0; if (count MYDEV_SIZE - p) count = MYDEV_SIZE - p; /*从用户空间写入数据*/ if (copy_from_user(dev-data + p, buf, count) ret = - EFAULT; else *ppos += count; ret = count; printk(KERN_INFO written %d bytes(s) from %lxn, count, p); return ret;/*IO控制函数*/static int ioctl (struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)if(_IOC_TYPE(cmd)!=SCULL_IOC_MAGIC)return -EFAULT;if(_IOC_NR(cmd)SCULL_IOC_MAXNR)return -EFAULT;switch(cmd)case SCULL_IOCRESET: printk(SCULL_IOCRESET + %lx,arg); break;case SCULL_IOCSQUANTUM: /* Set: arg points to the value */ printk(SCULL_IOCSQUANTUM + %lx,arg); break;case SCULL_IOCTQUANTUM: /* Tell: arg is the value */ printk(SCULL_IOCTQUANTUM + %lx,arg); break;case SCULL_IOCGQUANTUM: /* Get: arg is pointer to result */ printk(SCULL_IOCGQUANTUM + %lx,arg); break;case SCULL_IOCQQUANTUM: /* Query: return it (its positive) */ printk(SCULL_IOCQQUANTUM + %lx,arg); break;case SCULL_IOCXQUANTUM: /* eXchange: use arg as pointer */ printk(SCULL_IOCXQUANTUM + %lx,arg); break;case SCULL_IOCHQUANTUM: /* sHift: like Tell + Query */ printk(SCULL_IOCHQUANTUM + %lx,arg);break;return 0;/* seek文件定位函数 */static loff_t ly_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence) loff_t newpos; switch(whence) case 0: /* SEEK_SET */ newpos = offset; break; case 1: /* SEEK_CUR */ newpos = filp-f_pos + offset; break; case 2: /* SEEK_END */ newpos = MYDEV_SIZE -1 + offset; break; default: /* cant happen */ return -EINVAL; if (newposMYDEV_SIZE) return -EINVAL; filp-f_pos = newpos; return newpos;/*文件操作结构体*/static const struct file_operations ly_fops = .owner = THIS_MODULE, .llseek = ly_llseek, .read = ly_read, .write = ly_write, .open = ly_open, .release = ly_release, .unlocked_ioctl = ioctl,;/*设备驱动模块加载函数*/static int lydev_init(void) int result; int i; dev_t devno = MKDEV(ly_major, 0); /* 静态申请设备号*/ if (ly_major) result = register_chrdev_region(devno, 2, lydev); else /* 动态分配设备号 */ result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, lydev); ly_major = MAJOR(devno); if (result 0) return result; /*初始化cdev结构*/ cdev_init(&cdev, &ly_fops); cdev.owner = THIS_MODULE; cdev.ops = &ly_fops; /* 注册字符设备 */ cdev_add(&cdev, MKDEV(ly_major, 0), MYDEV_NR_DEVS); /* 为设备描述结构分配内存*/ ly_devp = kmalloc(MYDEV_NR_DEVS * sizeof(struct ly_dev), GFP_KERNEL); if (!ly_devp) /*申请失败*/ result = - ENOMEM; goto fail_malloc; memset(ly_devp, 0, sizeof(struct ly_dev); /*为设备分配内存*/ for (i=0; i MYDEV_NR_DEVS; i+) ly_devpi.size = MYDEV_SIZE; ly_devpi.data = kmalloc(MYDEV_SIZE, GFP_KERNEL); memset(ly_devpi.data, 0, MYDEV_SIZE); printk(模块加载成功！n); return 0; fail_malloc: unregister_chrdev_region(devno, 1); return result;/*模块卸载函数*/static void lydev_exit(void) cdev_del(&cdev); /*注销设备*/ kfree(ly_devp); /*释放设备结构体内存*/ unregister_chrdev_region(MKDEV(ly_major, 0), 2); /*释放设备号*/ printk(模块卸载成功！n);MODULE_LICENSE(GPL);module_init(lydev_init);module_exit(lydev_exit);2.测试程序#include #include#include#include#include#include#include #include #define MAXBUF 20#define SCULL_IOC_MAGIC k#define SCULL_IOCRESET _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 0)#define SCULL_IOCSQUANTUM _IOW(SCULL_IOC_MAGIC, 1, int)#define SCULL_IOCSQSET _IOW(SCULL_IOC_MAGIC, 2, int)#define SCULL_IOCTQUANTUM _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 3)#define SCULL_IOCTQSET _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 4)#define SCULL_IOCGQUANTUM _IOR(SCULL_IOC_MAGIC, 5, int)#define SCULL_IOCGQSET _IOR(SCULL_IOC_MAGIC, 6, int)#define SCULL_IOCQQUANTUM _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 7)#define SCULL_IOCQQSET _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 8)#define SCULL_IOCXQUANTUM _IOWR(SCULL_IOC_MAGIC, 9, int)#define SCULL_IOCXQSET _IOWR(SCULL_IOC_MAGIC,10, int)#define SCULL_IOCHQUANTUM _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 11)#define SCULL_IOCHQSET _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 12)#define SCULL_IOC_MAXNR 14int main() int testdev; int i,flag = 1,t,len = -1; char sel; char bufMAXBUF,tmpMAXBUF; printf(1、打开设备n2、写操作n3、读操作n4、I/O控制n5、释放设备n6、退出n);while(1) printf(请输入要实施操作：);sel = getchar();getchar();switch(sel) case 1:testdev = open(/dev/lydev,O_RDWR);if ( testdev 0 ) printf(设备打开失败 n);break;flag = 0;printf(设备打开成功！nbreak; /*case 2:if (flag) printf(请先打开设备！n);break;printf(请输入写入字符串:);gets(tmp);len = strlen(tmp);printf(len = %dn,len);t = write(testdev,tmp,len);if (t 0) printf(写操作失败！n);break;printf(%s字符串写入成功！n,tmp);break;case 3:if (flag) printf(请先打开设备！n);break;if (len 0) printf(请优异行写操作！n);break;t = read(testdev,buf,len);if (t 0) printf(读操作失败！n);break;printf(读操作成功!结果为:%sn,buf);break;*/case 2:if (flag) printf(请先打开设备！n);continue;printf(请输入要写入字符串：);gets(tmp);len = sizeof(tmp);/strlen(tmp);t = write(testdev,tmp,len);if(t 0) perror(写操作失败！n);exit(-1);printf(字符串:%s写入成功！n,tmp);break;case 3:if (flag) printf(请先打开设备！n);continue;lseek(testdev,0,SEEK_SET);t = read(testdev,buf,len);if(t 0) perror(读操作失败！n);exit(-1);printf(读操作成功!结果为:%sn,buf);break;case 4:if (flag) printf(请先打开设备！n);break;t = ioctl(testdev,SCULL_IOCTQUANTUM,3);if(t 0) printf(IO控制失败n); else printf(IO控制成功n);break;case 5:if (flag) printf(请先打开设备！n);break;/release(testdev);close(testdev); printf(设备释放成功！n); flag = 1;break;case 6:close(testdev);exit(0);default:printf(输入有误!n); break; 六、体会和自我评价 在这次课程设计之前从没有接触过Linux系统，Linux系统这个词作为计算机系学生全部不会陌生，多多少少也知道些它历史，知道它是开放无偿操作系统，支持开源软件开发，不过，Linux系统到底是怎样一个系统，甚至对它界面全部从未见过。这次课程设计使我接触并了解了Linux系统，见识了它界面和种种和Windos系统不一样之处，增加了见识。驱动相较于Linux系统是愈加熟悉一个名词，每次重装系统全部要安装多种多样驱动，不然计算机就不能正常运行，各个硬件就不能发挥作用，经过这次课程设计，对Linux系统驱动有了比较深入认识：。Linux下设备驱动程序分为字符设备驱动、快设备驱动和网络设备驱动程序。驱动程序在硬件和软件之间起纽带作用，用户进程是经过设备文件来和实际硬件打交道.每个设备文件全部有其文件属性(c/b)，表示是字符设备还块设备。另外每个文件全部有两个设备号，第一个是主设备号，标识驱动程序，第二个是从设备号，标识使用同一个设备驱动程序不一样硬件设备。这次课程设计提升了自己自我学习能力和交流能力，Linux系统是以前学习从未接触到东西，为了完成设计，需要自己查询多种资料，而且和同学交流学习心得，讨论程序运行细节，完善自己程序。这次课程设计使我反省很多，不管Linux还是驱动程序全部是挂在嘴边东西，不过对于这些自己并没有进行过深入了解，造成这次课程设计一切全部要从头开始，进行并不顺利，以后对于部分常常提起，在未来有可能用到东西要未雨绸缪，先做了解，未来时候才能轻松应对，事半功倍。七、参考文件1 汤子瀛 编著，计算机操作系统（修订版），西安电子科技大学出版社，2 Alessandro Rubini.Linux设备驱动程序M.魏永明,耿兵,钟书毅,译.北京:中国电力出版社,.3 Sreekrishnan ,精通Linux设备驱动程序开发，人民邮电出版社，4Arm Corporation.ARM920T Technical Reference Manual.5 Atmel Corporation.AT91RM9200 datasheet.