Linux内核设备驱动之高级字符设备驱动笔记整理

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 * 高级字符设备驱动
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(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

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