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Linux內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動(dòng)之高級(jí)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)筆記整理

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 * 高級(jí)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)
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(1)ioctl

除了讀取和寫入設(shè)備外，大部分驅(qū)動(dòng)程序還需要另外一種能力，即通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(gè)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(bào)錯(cuò)。

驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)用戶空間的fd
cmd: 對(duì)應(yīng)用戶空間傳來的cmd
arg: 對(duì)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(gè)switch語句，用于根據(jù)cmd參數(shù)選擇對(duì)應(yīng)的操作。用戶空間和內(nèi)核空間的命令號(hào)要一致。

(2)選擇ioctl的命令號(hào)

在編寫ioctl的代碼之前，要選擇對(duì)應(yīng)不同命令的編號(hào)。不能簡單地從0或1開始選擇編號(hào)，因?yàn)閘inux要求這個(gè)命令號(hào)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(dòng)程序選擇ioctl號(hào)，可以參考include/asm/ioctl.h和Documentation/ioctl-number.txt。

一個(gè)ioctl號(hào)為32位，linux將其分成4個(gè)部分，構(gòu)建一個(gè)ioctl號(hào)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(dòng)選定一個(gè)號(hào)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(gè)方向是對(duì)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(dòng)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(gè)ioctl號(hào)

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

返回值

對(duì)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(gè)錯(cuò)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(shí)傳入了沒有定義的ioctl號(hào)，則系統(tǒng)返回的錯(cuò)誤值為-ENVAL和-ENOTTY

(3)阻塞和非阻塞型操作

對(duì)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(gè)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(shí)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(huì)返回。

*如果一個(gè)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(duì)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(shí)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(gè)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(shí)，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€(gè)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(shí)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?cè)O(shè)備，但有時(shí)候用這種技術(shù)效率就不高了。在面對(duì)某些隨機(jī)或很少出現(xiàn)的情況時(shí)(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(dòng)異步通知

為了啟動(dòng)文件的異步通知機(jī)制，用戶程序必須執(zhí)行兩個(gè)步驟:

01.指定一個(gè)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(shí)，屬主進(jìn)程的進(jìn)程ID號(hào)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(dòng)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(shí)請(qǐng)求發(fā)送一個(gè)SIGIO信號(hào)。該信號(hào)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(dòng)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(duì)應(yīng)

01.當(dāng)設(shè)定F_SETOWN時(shí)，對(duì)file->f_owner賦值
02.執(zhí)行F_SETFL以啟動(dòng)FASYNC時(shí)，調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的fasync方法。只要filp->f_flags中的FASYNC標(biāo)志(文件打開時(shí)，默認(rèn)為清除)發(fā)生了變化，就會(huì)調(diào)用該方法。
03.當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，由內(nèi)核發(fā)送一個(gè)SIGIO信號(hào)給所有注冊(cè)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(dòng)要調(diào)用的兩個(gè)函數(shù)

這兩個(gè)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(gè)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)調(diào)用kill_fasync

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

調(diào)用kill_fasync向所有注冊(cè)在設(shè)備上的異步隊(duì)列async_queue中的進(jìn)程發(fā)送信號(hào)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(shí)必須調(diào)用fasync方法

當(dāng)關(guān)閉文件時(shí)必須調(diào)用fasync方法，以便從活動(dòng)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(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，謝謝大家對(duì)腳本之家的支持。如果你想了解更多相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)查看下面相關(guān)鏈接

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