1 设备控制理论
- 大部分驱动程序除了需要提供读写设备的能力外,还需要具备控制设备的能力。比如: 改变波特率。
1.2 设备控制-应用函数
- 在用户空间,使用ioctl系统调用来控制设备,原型如下:
int ioctl(int fd,unsigned long cmd,...)
//fd: 要控制的设备文件描述符
//cmd: 发送给设备的控制命令
//…: 第3个参数是可选的参数,存在与否是依赖于控制命令(第 2 个参数 )。比如命令是设置波特率,第三个参数就应该是波特率的数字了;但如果命令是重启,则不需要第三个参数。
1.3 设备控制-驱动函数
- 当应用程序使用ioctl系统调用时,驱动程序将由如下函数来响应:
- 2.6.36 之前的内核:long (*ioctl) (struct inode* node ,struct file* filp, unsigned int cmd,unsigned long arg)
- 2.6.36之后的内核:long (*unlocked_ioctl) (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
- 参数cmd:通过应用函数ioctl传递下来的命令
- 所以在驱动开发的设计中,需要根据如下的方法,首先确定应用程序中使用了那么系统调用比如read、write、open,这些系统调用在内核中应该使用哪个函数,比如说sys_read、sys_write,然后再思考怎么样实现对应的设备方法。(系统调用--->内核函数--->设备方法)
2 设备控制实现
2.1 控制实现-定义命令
- 命令从其实质而言就是一个整数,但为了让这个整数具备更好的可读性,我们通常会把这个整数分为几个段:类型(8位),序号,参数传送方向,参数长度。
- Type(类型/幻数):表明这是属于哪个设备的命令。
- Number( )序号 ,用来区分同一设备的不同命令
- Direction:参数传送的方向,可能的值是 _IOC_NONE(没有数据传输), _IOC_READ, _IOC_WRITE(向设备写入参数)
- Size: 参数长度
2.2 设备控制-定义命令
- Linux系统提供了下面的宏来帮助定义命令:
- _IO(type,nr):不带参数的命令
- _IOR(type,nr,datatype):从设备中读参数的命令,datatype代表参数类型
- _IOW(type,nr,datatype):向设备写入参数的命令
- 比如:
- #define MEM_MAGIC ‘m’ //定义幻数,用字符来代替8位的数值
- #define MEM_SET _IOW(MEM_MAGIC, 0, int) // 定义一个往设备中写入数据的命令
2.2 设备控制-实现操作
- unlocked_ioctl函数的实现通常是根据命令执行的一个switch语句。但是,当命令号不能匹配任何一个设备所支持的命令时,返回-EINVAL。
- 编程模型:
- Switch cmd
- Case 命令A:
- //执行A对应的操作
- Case 命令B:
- //执行B对应的操作
- Default:
- // return -EINVAL
3 动手实践
- 实现字符设备控制
mem_ctl.h
#define MEM_MAGIC 'm' // 设备幻数
#define MEM_RESTART _IO(MEM_MAGIC, 0) // 重启命令
#define MEM_SET _IOW(MEM_MAGIC, 1, int) // 向设备写入参数的命令
mem_ctl.c
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include "memdev.h"
int main()
{
int fd;
fd = open("/dev/memdev0", O_RDWR); // 打开设备文件
ioctl(fd, MEM_SET, 115200);
ioctl(fd, MEM_RESTART);
return 0;
}
memdev.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include "memdev.h"
int dev1_registers[5];
int dev2_registers[5];
struct cdev cdev;
dev_t devno;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);
if (num==0)
filp->private_data = dev1_registers;
else if(num == 1)
filp->private_data = dev2_registers;
else
return -ENODEV; //无效的次设备号
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器基地址*/
/*判断读位置是否有效*/
if (p >= 5*sizeof(int))
return 0;
if (count > 5*sizeof(int) - p)
count = 5*sizeof(int) - p;
/*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, register_addr+p, count))
{
ret = -EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;
}
return ret;
}
/*写函数*/
static ssize_t mem_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;
int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器地址*/
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= 5*sizeof(int))
return 0;
if (count > 5*sizeof(int) - p)
count = 5*sizeof(int) - p;
/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(register_addr + p, buf, count))
ret = -EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;
}
return ret;
}
/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
loff_t newpos;
switch(whence)
{
case SEEK_SET:
newpos = offset;
break;
case SEEK_CUR:
newpos = filp->f_pos + offset;
break;
case SEEK_END:
newpos = 5*sizeof(int)-1 + offset;
break;
default:
return -EINVAL;
}
if ((newpos<0) || (newpos>5*sizeof(int)))
return -EINVAL;
filp->f_pos = newpos;
return newpos;
}
long mem_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
switch (cmd)
{
case MEM_RESTART:
printk("restart device!\n");
return 0;
case MEM_SET:
printk("arg is %lu\n",arg);
return 0;
default:
return -EINVAL;
}
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
.unlocked_ioctl = mem_ioctl,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
/* 注册字符设备 */
alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
cdev_add(&cdev, devno, 2);
return 0;
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
unregister_chrdev_region(devno, 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
运行结果