Linux內核設備驅動(dòng)之高級字符設備驅動(dòng)筆記整理

服務(wù)器

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 * 高級字符設備驅動(dòng)
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(1)ioctl

除了讀取和寫(xiě)入設備外，大部分驅動(dòng)程序還需要另外一種能力，即通過(guò)設備驅動(dòng)程序執行各種類(lèi)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(guò)ioctl方法支持，該方法實(shí)現了同名的系統調用。

在用戶(hù)空間，ioctl系統調用的原型是：

int ioctl(int fd, unsigned long cmd, …);
fd: 打開(kāi)的設備文件描述符
cmd: 命令
第三個(gè)參數：根據不同的命令，可以是整數或指針，也可以沒(méi)有。
采用…的方式只是用于避免編譯器報錯。

驅動(dòng)程序的ioctl方法原型和用戶(hù)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: 對應用戶(hù)空間的fd
cmd: 對應用戶(hù)空間傳來(lái)的cmd
arg: 對應傳來(lái)的cmd參數

大多數ioctl的實(shí)現中都包括一個(gè)switch語(yǔ)句，用于根據cmd參數選擇對應的操作。用戶(hù)空間和內核空間的命令號要一致。

(2)選擇ioctl的命令號

在編寫(xiě)ioctl的代碼之前，要選擇對應不同命令的編號。不能簡(jiǎn)單地從0或1開(kāi)始選擇編號，因為linux要求這個(gè)命令號應該在系統范圍內唯一。linux內核采用約定方法為驅動(dòng)程序選擇ioctl號，可以參考include/asm/ioctl.h和Documentation/ioctl-number.txt。

一個(gè)ioctl號為32位，linux將其分成4個(gè)部分，構建一個(gè)ioctl號碼所需要的宏都定義在<linux/ioctl.h>：

type 8位幻數。其實(shí)就是為你的驅動(dòng)選定一個(gè)號碼。參考ioctl-number.txt
number 8位序數。
direction 2位。定義了數據的傳輸方向。如_IOC_NONE(沒(méi)有數據傳輸)，_IOC_READ|_IOC_WRITE(雙向數據傳輸)。注意這個(gè)方向是對用戶(hù)而言的，所以IOC_READ意味著(zhù)從設備讀取數據，驅動(dòng)應該向用戶(hù)空間寫(xiě)入數據。
size 14位。所涉及的用戶(hù)數據大小。

可以采用<linux/ioctl.h>中的宏構建一個(gè)ioctl號

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

返回值

對于系統調用來(lái)說(shuō)，正的返回值是首保護的，而負值被認為是一個(gè)錯誤，并被用來(lái)設置用戶(hù)空間的error變量。如果在調用ioctl方法時(shí)傳入了沒(méi)有定義的ioctl號，則系統返回的錯誤值為-ENVAL和-ENOTTY

(3)阻塞和非阻塞型操作

對于read和write等操作，默認的操作是阻塞型的，其特性是：

*如果一個(gè)進(jìn)程調用了read但還沒(méi)有數據可讀，則此進(jìn)程必須阻塞。數據到達時(shí)進(jìn)程被喚醒，并把數據返回給調用者，即使數據數目少于count參數指定的數據也會(huì )返回。

*如果一個(gè)進(jìn)程調用了write但緩沖區沒(méi)有空間，則此進(jìn)程必須阻塞，而且必須休眠在與讀進(jìn)程不同的等待隊列上。當向硬件設備寫(xiě)入一些數據，從而騰出了部分輸出緩沖區后，進(jìn)程即被喚醒，write調用成功。

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(wú)論設備是否有數據可讀寫(xiě)，read/write方法都馬上返回。

如果希望設定某個(gè)文件是非阻塞的，則應設定filp->f_flags的O_NONBLOCK標志。處理非阻塞型文件時(shí)，應用程序調用stdio函數必須非常小心，因為很容易把一個(gè)非阻塞型的返回誤認為是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(xún)設備，但有時(shí)候用這種技術(shù)效率就不高了。在面對某些隨機或很少出現的情況時(shí)(如通過(guò)鍵盤(pán)輸入CTRL C)，則需要采用異步通知(asynchronous notification)。

b.用戶(hù)空間程序如何啟動(dòng)異步通知

為了啟動(dòng)文件的異步通知機制，用戶(hù)程序必須執行兩個(gè)步驟:

01.指定一個(gè)進(jìn)程作為設備文件的 屬主(owner)。當進(jìn)程使用fcntl系統調用執行F_SETOWN命令時(shí)，屬主進(jìn)程的進(jìn)程ID號就被保存在 filp->f_owner中。這一步是必需的，目的是讓內核知道該通知誰(shuí)。
02.為了真正啟動(dòng)異步通知機制，用戶(hù)程序還必須在設備中設置FASYNC標志，這是通過(guò)fchtl命令F_SETFL完成的。執行完這兩步后，設備文件就可以在新數據到達時(shí)請求發(fā)送一個(gè)SIGIO信號。該信號被送到存放在file->f_owner中的進(jìn)程（如果是負值就是進(jìn)程組）。不是所有的設備都支持異步通知，應用程序通常假設只有套接字和終端才有異步通知能力.

(5)驅動(dòng)程序中如何實(shí)現異步通知

a.用戶(hù)空間操作在內核的對應

01.當設定F_SETOWN時(shí)，對file->f_owner賦值
02.執行F_SETFL以啟動(dòng)FASYNC時(shí)，調用驅動(dòng)程序的fasync方法。只要filp->f_flags中的FASYNC標志(文件打開(kāi)時(shí)，默認為清除)發(fā)生了變化，就會(huì )調用該方法。
03.當數據到達時(shí)，由內核發(fā)送一個(gè)SIGIO信號給所有注冊為異步通知的進(jìn)程

b.在設備結構體中加入fasync_struct的指針

該結構在<linux/fs.h>中定義：

struct fasync_struct {
int magic;
int fa_fd;
struct fasync_struct *fa_next;
struct file *fa_file;
};

c.驅動(dòng)要調用的兩個(gè)函數

這兩個(gè)函數在<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);

當一個(gè)打開(kāi)文件的FASYNC標志被修改，調用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在數據到達時(shí)通知所有相關(guān)進(jìn)程。

d.例子

01.在設備類(lèi)型中定義fasync_struct動(dòng)態(tài)數據結構

struct my_pipe {
  struct fasync_struct *async_queue; /* 異步讀取結構 */
......
};

02.驅動(dòng)中的fasync函數調用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。

調用kill_fasync向所有注冊在設備上的異步隊列async_queue中的進(jìn)程發(fā)送信號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)必須調用fasync方法

當關(guān)閉文件時(shí)必須調用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中調用：scull_p_fasync(-1, filp, 0);

總結

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