欢迎您访问程序员文章站本站旨在为大家提供分享程序员计算机编程知识!
您现在的位置是: 首页  >  网络运营

Linux内核设备驱动之高级字符设备驱动笔记整理

程序员文章站 2022-09-25 19:39:06
/****************** * 高级字符设备驱动 ******************/ (1)ioctl 除了读取和写入设备外,大部分...
/******************
 * 高级字符设备驱动
 ******************/

(1)ioctl

除了读取和写入设备外,大部分驱动程序还需要另外一种能力,即通过设备驱动程序执行各种类型的硬件控制。比如弹出介质,改变波特率等等。这些操作通过ioctl方法支持,该方法实现了同名的系统调用。

在用户空间,ioctl系统调用的原型是:

  • int ioctl(int fd, unsigned long cmd, ...);
  • fd: 打开的设备文件描述符
  • cmd: 命令
  • 第三个参数:根据不同的命令,可以是整数或指针,也可以没有。
  • 采用"..."的方式只是用于避免编译器报错。

驱动程序的ioctl方法原型和用户空间的版本有一些不同:

int (*ioctl) (struct inode *inode,    
      struct file *filp, 
      unsigned int cmd,
      unsigned long arg);
inode/filp: 对应用户空间的fd
cmd: 对应用户空间传来的cmd
arg: 对应传来的cmd参数

大多数ioctl的实现中都包括一个switch语句,用于根据cmd参数选择对应的操作。用户空间和内核空间的命令号要一致。

(2)选择ioctl的命令号

在编写ioctl的代码之前,要选择对应不同命令的编号。不能简单地从0或1开始选择编号,因为linux要求这个命令号应该在系统范围内唯一。linux内核采用约定方法为驱动程序选择ioctl号,可以参考include/asm/ioctl.h和documentation/ioctl-number.txt。

一个ioctl号为32位,linux将其分成4个部分,构建一个ioctl号码所需要的宏都定义在<linux/ioctl.h>:

  • type 8位幻数。其实就是为你的驱动选定一个号码。参考ioctl-number.txt
  • number 8位序数。
  • direction 2位。定义了数据的传输方向。如_ioc_none(没有数据传输),_ioc_read|_ioc_write(双向数据传输)。注意这个方向是对用户而言的,所以ioc_read意味着从设备读取数据,驱动应该向用户空间写入数据。
  • size 14位。所涉及的用户数据大小。

可以采用<linux/ioctl.h>中的宏构建一个ioctl号

  • _io(type, nr)
  • _ior(type,nr,datatype)
  • _iow(type,nr,datatype)

返回值

对于系统调用来说,正的返回值是首保护的,而负值被认为是一个错误,并被用来设置用户空间的error变量。如果在调用ioctl方法时传入了没有定义的ioctl号,则系统返回的错误值为-enval和-enotty

(3)阻塞和非阻塞型操作

对于read和write等操作,默认的操作是阻塞型的,其特性是:

*如果一个进程调用了read但还没有数据可读,则此进程必须阻塞。数据到达时进程被唤醒,并把数据返回给调用者,即使数据数目少于count参数指定的数据也会返回。

*如果一个进程调用了write但缓冲区没有空间,则此进程必须阻塞,而且必须休眠在与读进程不同的等待队列上。当向硬件设备写入一些数据,从而腾出了部分输出缓冲区后,进程即被唤醒,write调用成功。

有时我们希望改变这一特性,将其改为非阻塞型的,这样,无论设备是否有数据可读写,read/write方法都马上返回。

如果希望设定某个文件是非阻塞的,则应设定filp->f_flags的o_nonblock标志。处理非阻塞型文件时,应用程序调用stdio函数必须非常小心,因为很容易把一个非阻塞型的返回误认为是eof,所以必须始终检查errno。

(4)异步通知

a.异步通知的作用

大多数时候阻塞型和非阻塞型操作的组合以及select方法可以有效查询设备,但有时候用这种技术效率就不高了。在面对某些随机或很少出现的情况时(如通过键盘输入ctrl+c),则需要采用异步通知(asynchronous notification)。

b.用户空间程序如何启动异步通知

为了启动文件的异步通知机制,用户程序必须执行两个步骤:

  • 01.指定一个进程作为设备文件的 "属主(owner)"。当进程使用fcntl系统调用执行f_setown命令时,属主进程的进程id号就被保存在 filp->f_owner中。这一步是必需的,目的是让内核知道该通知谁。
  • 02.为了真正启动异步通知机制,用户程序还必须在设备中设置fasync标志,这是通过fchtl命令f_setfl完成的。执行完这两步后,设备文件就可以在新数据到达时请求发送一个sigio信号。该信号被送到存放在file->f_owner中的进程(如果是负值就是进程组)。不是所有的设备都支持异步通知,应用程序通常假设只有套接字和终端才有异步通知能力.

(5)驱动程序中如何实现异步通知

a.用户空间操作在内核的对应

  • 01.当设定f_setown时,对file->f_owner赋值
  • 02.执行f_setfl以启动fasync时,调用驱动程序的fasync方法。只要filp->f_flags中的fasync标志(文件打开时,默认为清除)发生了变化,就会调用该方法。
  • 03.当数据到达时,由内核发送一个sigio信号给所有注册为异步通知的进程

b.在设备结构体中加入fasync_struct的指针

该结构在<linux/fs.h>中定义:

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

c.驱动要调用的两个函数

这两个函数在<linux/fs.h>中声明。

定义在/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);

当一个打开文件的fasync标志被修改,调用fasync_helper以便从相关的进程列表中增加或删除文件,而kill_fasync在数据到达时通知所有相关进程。

d.例子

01.在设备类型中定义fasync_struct动态数据结构

struct my_pipe {
  struct fasync_struct *async_queue; /* 异步读取结构 */
......
};

02.驱动中的fasync函数调用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.符合异步通知条件时调用kill_fasync

异步通知的是一个读进程,所以要用write发送kill_fasync。

调用kill_fasync向所有注册在设备上的异步队列async_queue中的进程发送信号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.关闭文件时必须调用fasync方法

当关闭文件时必须调用fasync方法,以便从活动的异步读进程列表中删除该文件。

在release中调用:scull_p_fasync(-1, filp, 0);

总结

以上就是这篇文章的全部内容了,希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,谢谢大家对的支持。如果你想了解更多相关内容请查看下面相关链接