Linux 高级字符设备驱动程序

设备ioctl控制

功能
- 对硬件进行控制
- 用户使用方法
  - int ioctl(int fd, unsigned long cmd, ...)
- 驱动ioctl方法
  - int (*ioctl)(struct inode* inode, struct file* filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
实现
1. 定义命令
- 命令号应该在系统范围内唯一
- ioctl命令编码被划分为几个位段, 定义在include/asm/ioctl.h中, 符号定义在linux/ioctl.h中:
  1. Type - 类型(幻数)
  - Documentation/ioctl-numbre.txt中罗列了内核中已经使用了的幻数;
  - 表明哪个设备的命令, 参考了ioctl-numbre.txt之后选出, 8位宽;
  1. Number - 序号
  - 表明设备命令中的第几个, 8位宽
  1. Direction - 传送方向
  - 数据传送的方向:
    1. _IOC_NONE - (没有数据传输)
    2. _IOC_READ - 从设备读
    3. _IOC_WRITE - 往设备写
  1. Size - 参数的大小
  - 用户数据的大小(13/14位宽, 视处理器而定)
- 定义命令的宏
  1. _IO(type, nr) - 没有参数的命令
  2. _IOR(type, nr, datatype) - 从设备中读数据
  3. _IOW(type, nr, datatype) - 往设备中写数据
  4. _IOWR(type, nr, datatype) - 双向传输
- 范例:
```
#define MEM_IOC_MAGIC   'm' //定义幻数

#define MEM_IOCSET    _IOW(MEM_IOC_MAGIC, 0, int)
#define MEM_IOCGQSET  _IOR(MEM_IOC_MAGIC, 1, int)
```
1. 实现命令
2. 返回值 - 当命令号不能匹配任何一个设备所支持的命令时, 通常返回 -EINVAL(非法参数)
3. 参数使用 - 整数参数 -> 直接使用 - 指针参数 -> 使用前必须先进行正确的检查, 以确保该用户地址有效
  - 不需要检查:
    - copy_from_user
    - copy_to_user
    - get_user
    - put_user
  - 需要检查:
    - __get_user
    - __put_user - 检查函数:
```
int access_ok(int type, const void* addr, unsigned long size)
parameters:
  - type: VERIFY_READ/VERIFY_WRITE => 读/写用户内存
  - addr: 用户内存地址;
  - size: 操作的长度;
return:
  1=成功(存取ok)
  0=失败(存取error)
  返回失败 => ioctl应当返回 -EFAULT
```
```
```
if (_IOC_DIR(CMD) & _IOC_READ)
{
  err = !access_ok(VERIFY_WRITE, (void __user*)arg, _IOC_SIZE(cmd));
}
else if (_IOC_DIR(CMD) & _IOC_WRITE)
{
  err = !access_ok(VERIFY_READ, (void __user*)arg, _IOC_SIZE(cmd))
}

if (err)
{
  return -EFAULT;
}
```
```
1. 命令操作 ``` switch (cmd) { case MEM_IOCSQUANTUM: retval = __get_user(scull_quantum, (int*)arg); break;
  
  case MEM_IOCGQUANTUM: retval = __put_user(scull_quantum, (int*)arg); break;
  
  default: return -EINVAL; } ```

内核等待队列

等待队列作用:
- 可用于实现进程的阻塞, 可看做保存进程的容器;
等待队列操作:
1. 定义等待队列
- wait_queue_head_t my_queue
1. 初始化等待队列
- init_waitqueue_head(&my_queue)
1. 定义并初始化等待队列
- DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(my_queue)
1. 有条件睡眠
- condition为真时, 立即返回; 否则进程进入睡眠;
- wait_event(queue, condition)
  - 睡眠模式TASK_UNINTERRUPTIBLE
- wait_event_interruptible(queue, condition)
  - 睡眠模式TASK_INTERRUPTIBLE
- int wait_event_killable(wait_queue_t queue, condition)
  - 睡眠模式TASK_KILLABLE
1. 无条件睡眠(老版本, 建议不再使用)
- sleep_on(wait_queue_head_t *q)
- interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q)
1. 从等待队列中唤醒进程
- wake_up(wait_queue_t *q)
- wake_up_interruptible(wait_queue_t *q)

阻塞型字符设备驱动

当一个设备无法立即满足用户的读写请求时, 应如何处理?
- 驱动程序应当(缺省的)阻塞进程, 使它进入睡眠, 直到请求可以得到满足;
阻塞方式
- read实现方式:
  - 如果进程调用read, 但设备没有数据或数据不足,进程阻塞; 当新数据到达后, 唤醒被阻塞进程;
- write实现方式:
  - 如果进程调用write, 但设备没有足够的空间供其写入数据, 进程阻塞; 当设备空出部分空间, 则唤醒进程;
非阻塞方式
- 应用程序使用O_NONBLOCK标志设置为非阻塞模式
- read/write操作条件不足时, 返回-EAGAIN, 而不阻塞进程;

Poll设备操作

系统调用(用户空间)	驱动(内核空间)
open	open
close	close
read	read
write	write
ioctl	ioctl
lseek	llseek
select	poll

select系统调用
- int select(int maxfd, fd_set* readfds, fd_set* writefds, fd_set* exceptfds, const struct timeval* timeout)
- 功能:
  - 用于多路监控, 当没有一个文件满足要求时, select将阻塞调用进程;
- 参数:
  - maxfd: 文件描述符的范围, 比待检测的最大文件描述符大1
  - readfds: 被读监控的文件描述符集
  - writefds: 被写监控的文件描述符集
  - exceptfds: 被异常监控的文件描述符集
  - timeout: 定时器
    - timeout值 = 0: 不管是否有文件满足要求, 都立即返回; 无满足返回0, 有满足返回正值;
    - timeout = NULL: 阻塞进程, 直至有满足;
    - timeout值 > 0: 等待的最长时间, 在timeout时间内阻塞进程;
- 返回值:
  1. 正整数: 满足要求的文件描述符个数
  2. 0: 无满足要求的文件;
  3. -1: 异常出错, 如果errno=EINTR, 则出错原因为被某个信号中断;
- 使用方法:
  1. 将要监控的文件添加到文件描述符集
  2. 调用select开始监控
  3. 判断文件是否发生变化
- 对描述符集进行操作的宏
  - #include <sys/select.h>
  - void FD_SET(int fd, fd_set* fdset)
    - 将文件描述符fd, 添加到文件描述符集fdset中;
  - void FD_CLR(int fd, fd_set* fdset)
    - 将文件描述符fd, 从文件描述符集fdset中清除;
  - void FD_ZERO(fd_set* fdset)
    - 清空文件描述符集fdset;
  - void FD_ISSET(int fd, fd_set* fdset)
    - 检测文件描述符集fdset中的文件fd是否发生了变化;
```
FD_ZERO(&fds);
FD_SET(fd1, &fds);
FD_SET(fd2, &fds);

maxfdp = fd1+1;// 描述符最大值加1, (假设fd1>fd2)
switch (select(maxfdp, &fds, NULL, NULL, &timeout))
{
  case -1:
    exit(-1);
  break;

  case 0:
  break;

  default:
    if (FD_ISSET(fd1, &fds))
    {
      // 测试fd1是否可读
    }
  break;
}
```
- Poll方法
  - 原型: unsigned int (*poll)(struct file *filp, poll_table* wait)
  - 负责工作:
    1. 使用poll_wait将等待队列添加到poll_table中
    2. 返回描述设备是否可读/写的掩码:
    - POLLIN - 设备可读
    - POLLOUT - 设备可写
    - POLLRDNORM - 数据可读
    - POLLWRNORM - 数据可写
    - 设备可读通常返回 (POLLIN | POLLRDNORM)
    - 设备可写通常返回 (POLLOUT | POLLWRNORM)
  - 工作原理:
    - poll方法只是做一个登记, 真正的阻塞发生在select.c中的do_select函数;
  - 范例:
```
static unsigned int mem_poll(struct file* filp, poll_table* wait)
{
  struct scull_pipe* dev = filp->private_data;
  unsigned int mask = 0;

  // 把等待队列添加到poll_table
  poll_wait(filp, &dev->inq, wait);

  // 返回掩码
  if (有数据可读)
  {
    mask = POLLIN | POLLRDNORM;
  }

  return mask;
}
```

自动创建设备文件

创建设备文件的方法:
1. mknod手工创建
2. 自动创建
自动创建
1. 2.4内核

devfs_register(devfs_handle_t dir, const char* name, unsigned int flags,
  unsigned int major, unsigned int minor, umode_t mode, void* ops, void* info)
function:
  - 在指定的目录中创建设备文件.
parameters:
  - dir: 目录名, 为空表示在/dev/目录下创建;
  - name: 文件名;
  - flags: 创建标志;
  - major: 主设备号;
  - minor: 次设备号;
  - mode: 创建模式;
  - ops: 操作函数集;
  - info: 通常为空;

2.6内核 - udev代替了devfs; - udev(mdev)存在于应用层; - 利用udev(mdev)实现设备文件的自动创建很简单:
- 在驱动初始化的代码里调用class_creat为该设备创建一个class;
- 为每个设备调用device_create创建对应的设备; - 范例:
```
struct class* myclass = class_creat(THIS_MODULE, "my_device_driver");
device_create(myclass, NULL, MKDEV(major_num, 0), NULL, "my_device");

// 当驱动被加载时, udev(mdev)就会自动在/dev下创建my_device设备文件
```

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