Linux 驅動程式觀念解析, #5: 依流程來實作 -- Virtual Device Driver

jollen 發表於 May 4, 2006 9:53 AM

根據Linux驅動程式的一般化設計流程，我們來設計一個真正可以動的驅動程式。

根據流程寫程式

定義 file_operations

struct file_operations card_fops = {
	open:		card_open,
	write:		card_write,
	release:	card_release,
	ioctl:		card_ioctl,
};

由此定義可以，我們所計的驅動程式將提供 open/write/close(release)/ioctl 4 個 system call 介面給 user application。

實作 System Call

接著要實作我們所提供的4個 system call。open/close(即 release)/read/write/ ioctl 是初學 Linux 驅動程式最重要的 5 個 system call，了解如何實作不同的 system call，是學好 Linux 驅動程式的重要工作。

本文先介紹 open/close(release)/write 的實作。此部份說明如後。

註冊 Driver

將driver自己「註冊」到kernel的VFS層，註冊時所要呼叫的函數根據裝置類型的不同而不同。

將驅動程式「註冊」（registration）至kernel的動作必須在init_module()函數裡實作。根據裝置類型的不同，所呼叫的函數也不同，以下是幾個基本的裝置註冊函數：

˙ int register_chrdev(unsigned int major, const char * name, struct file_operations *fops)：註冊字元型驅動程式。
˙ int register_blkdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops)：註冊區塊型驅動程式。
˙ int usb_register(struct usb_driver *new_driver)：註冊USB驅動程式。
˙ int pci_register_driver(struct pci_driver *)：註冊PCI驅動程式。

本文範例註冊驅動程式的程式片斷如下：

#define	DEV_MAJOR	121
#define	DEV_NAME	"debug"	
#define MSG(format, arg...) printk(KERN_INFO "DEBUG CARD: " format "\n", ## arg)

int init_module(void)

{

	MSG("DEBUG CARD v0.1.1");

	MSG("  Copyright (C) 2004 www.jollen.org");

	if (register_chrdev(DEV_MAJOR, DEV_NAME, &card_fops) < 0) {

		MSG("Couldn't register a device.");

		return -1;

	}

    

	return 0;

}

register_chrdev()參數說明如下：

˙ 第1個參數：為device file的major number。該device file應在Linux系統底下以root身份手動建立。
˙ 第2個參數：
˙ 第3個參數：為驅動程式的fops。

註冊的動作是寫在init_module()裡，因此當使用者執行insmod載入驅動程式時，register_chrdev()便會執行。由此可知，註冊驅動程式的時機為insmod時。相對的，在rmmod時，必須執行解除註冊的動作，此動作必須實作在cleanup_module()函數裡。

前面所介紹的4個註冊函數，其相對應的解除註冊函數如下：

˙ int unregister_chrdev(unsigned int major, const char * name) ：解除註冊字元型驅動程式。
˙ int unregister_blkdev(unsigned int major, const char *name) ：解除註冊區塊型驅動程式。
˙ void usb_deregister(struct usb_driver *driver)：解除註冊USB驅動程式。
˙ pci_unregister_driver(struct pci_driver *drv) ：解除註冊PCI驅動程式。

範例debug card 0.1.0解除註冊的程式片斷如下：

void cleanup_module(void)

{

    if (unregister_chrdev(DEV_MAJOR, DEV_NAME))

	MSG("failed to unregister driver");

    else

	MSG("driver un-installed\n");

}

Linux驅動程式的「註冊」是一個非常重要的動作，這個動作代表 Linux 驅動程式是一個嚴謹的分層式架構；換句話說，
Linux驅動程式的分層（layered）關係可透過「註冊」的程序來分析。

定義chipset標頭檔

我們所要設計的 Port 80H 除錯卡驅動程式，不需要定義標頭檔；此部份可參考 kernel 裡的 BTTV 驅動程式。

定義I/O wrapper function

我們所要設計的 Port 80H 除錯卡驅動程式，不需要定義 I/O wrapper function；此部份可參考 kernel 裡的 BTTV
驅動程式。

實作chipset控制函數

在我們所要設計的 Port 80H 除錯卡驅動程式中，我們是直接使用 kernel 的 I/O 介面來控制除錯卡，physiacl device
driver 的部份將在下一篇文章再做說明。

open/release實作

open與release是Linux驅動程式最基本的2個system call。驅動程式應先實作此2個system call。

為了方便說明起見，本文後文將以「fops->open」表示實作open system call的driver function。其它system call亦同。

open與release system call的執行時機如下：

1. 當user application執行open()函數時，便呼叫Linux kernel的open system call，即執行fops->open。

2. 當user application執行close()函數時，便呼叫Linux kernel的close system
call，即執行fops->release。

Linux驅動程式註冊至kernel時會指定device file的major number，user application便可以透過此符合此major
number的device file與硬體溝通，即Linux驅動程式是透過VFS架構層與user
application溝通。

file_operation是Linux驅動程式支援VFS的重要結構。學習file_operation的重要目的如下：

1. 了解每一個system call的用途。

2. 了解每一個system call的實作「原則」。

System call的實作原則即driver function所要負責處理的基本工作。學習Linux device driver的重要工作之一，便是一一了解fops裡每一個system call的實作原則，並依照實際需求來實作不同的 system call。

open System Call

以open system call為例，fops->open是在user呼叫open()函數時執行，即當user開啟driver所指定的device file時呼叫fops->open。

fops->open實作原則如下：

將usage count加一（increment）

檢查inode->i_rdev

檢查裝置是否錯誤

初始化裝置

將驅動程式自己的資料結構放到filp->private_data

以下是本範例的fops->open實作：

int card_open(struct inode *inode, struct file *filp)

{

	MOD_INC_USE_COUNT;

	return 0;

};

release System Call

當user application 呼叫close() 函數後，便執行fops->release。

有些驅動程式會將release method函數名稱命名為 XXX_close()，但建議以XXX_release()名稱為主，以避免混淆。

fops->release實作原則如下：

將 usage count 減一。

以下是本範例的fops->release實作：

int card_release(struct inode *inode, struct file *filp)

{

	MOD_DEC_USE_COUNT;

	kfree(filp->private_data);  //reentrant code 觀念 (本文尚未說明)

	return 0;

};

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