Linux內核設備驅動之高級字符設備驅動筆記整理

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 * 高級字符設備驅動
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(1)ioctl

除了讀取和寫入設備外，大部分驅動程序還需要另外一種能力，即通過設備驅動程序執行各種類型的硬件控制。比如彈出介質，改變波特率等等。這些操作通過ioctl方法支持，該方法實現了同名的系統調用。

在用戶空間，ioctl系統調用的原型是：

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

驅動程序的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: 對應用戶空間的fd
cmd: 對應用戶空間傳來的cmd
arg: 對應傳來的cmd參數

大多數ioctl的實現中都包括一個switch語句，用于根據cmd參數選擇對應的操作。用戶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ioctl的代碼之前，要選擇對應不同命令的編號。不能簡單地從0或1開始選擇編號，因為linux要求這個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程序選擇ioctl號，可以參考include/asm/ioctl.h和Documentation/ioctl-number.txt。

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

• type 8位幻數。其實就是為你的驅動選定一個號碼。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(沒有數據傳輸)，_IOC_READ|_IOC_WRITE(雙向數據傳輸)。注意這個方向是對用戶而言的，所以IOC_READ意味著從設備讀取數據，驅動應該向用戶空間寫入數據。
• size 14位。所涉及的用戶數據大小。

可以采用<linux/ioctl.h>中的宏構建一個ioctl號

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

返回值

對于系統調用來說，正的返回值是首保護的，而負值被認為是一個錯誤，并被用來設置用戶空間的error變量。如果在調用ioctl方法時傳入了沒有定義的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：

*如果一個進程調用了read但還沒有數據可讀，則此進程必須阻塞。數據到達時進程被喚醒，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返回。

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

有時我們希望改變這一特性，將其改為非阻塞型的，這樣，無論設備是否有數據可讀寫，read/write方法都馬上返回。

如果希望設定某個文件是非阻塞的，則應設定filp->f_flags的O_NONBLOCK標志。處理非阻塞型文件時，應用程序調用stdio函數必須非常小心，因為很容易把一個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方法可以有效查詢設備，但有時候用這種技術效率就不高了。在面對某些隨機或很少出現的情況時(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異步通知

為了啟動文件的異步通知機制，用戶程序必須執行兩個步驟:

• 01.指定一個進程作為設備文件的 "屬主(owner)"。當進程使用fcntl系統調用執行F_SETOWN命令時，屬主進程的進程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。
• 02.為了真正啟動異步通知機制，用戶程序還必須在設備中設置FASYNC標志，這是通過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請求發送一個SIGIO信號。該信號被送到存放在file->f_owner中的進程（如果是負值就是進程組）。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)驅動程序中如何實現異步通知

a.用戶空間操作在內核的對應

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

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.驅動要調用的兩個函數

這兩個函數在<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);

當一個打開文件的FASYNC標志被修改，調用fasync_helper以便從相關的進程列表中增加或刪除文件，而kill_fasync在數據到達時通知所有相關進程。

d.例子

01.在設備類型中定義fasync_struct動態數據結構

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

02.驅動中的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調用kill_fasync

異步通知的是一個讀進程，所以要用write發送kill_fasync。

調用kill_fasync向所有注冊在設備上的異步隊列async_queue中的進程發送信號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.關閉文件時必須調用fasync方法

當關閉文件時必須調用fasync方法，以便從活動的異步讀進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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