字符设备驱动程序课程设计报告

中南大学字符设备驱动程序课程设计报告姓名：王学彬专业班级：信安1002班学号：0909103108课程：操作系统安全课程设计指导老师：张士庚一、课程设计目的1.了解Linux字符设备驱动程序的结构；2.掌握Linux字符设备驱动程序常用结构体和操作函数的使用方法；3.初步掌握Linux字符设备驱动程序的编写方法及过程；4.掌握Linux字符设备驱动程序的加载方法及测试方法。二、课程设计内容5.设计WindowsXP或者Linux操作系统下的设备驱动程序;6.掌握虚拟字符设备的设计方法和测试方法；7.编写测试应用程序，测试对该设备的读写等操作。三、需求分析3.1驱动程序介绍驱动程序负责将应用程序如读、写等操作正确无误的传递给相关的硬件，并使硬件能够做出正确反应的代码。驱动程序像一个黑盒子，它隐藏了硬件的工作细节，应用程序只需要通过一组标准化的接口实现对硬件的操作。3.2Linux设备驱动程序分类Linux设备驱动程序在Linux的内核源代码中占有很大的比例，源代码的长度日益增加，主要是驱动程序的增加。虽然Linux内核的不断升级，但驱动程序的结构还是相对稳定。Linux系统的设备分为字符设备(chardevice)，块设备(blockdevice)和网络设备(networkdevice)三种。字符设备是指在存取时没有缓存的设备，而块设备的读写都有缓存来支持，并且块设备必须能够随机存取(randomaccess)。典型的字符设备包括鼠标，键盘，串行口等。块设备主要包括硬盘软盘设备，CD-ROM等。网络设备在Linux里做专门的处理。Linux的网络系统主要是基于BSDunix的socket机制。在系统和驱动程序之间定义有专门的数据结构(sk_buff)进行数据传递。系统有支持对发送数据和接收数据的缓存，提供流量控制机制，提供对多协议的支持。3.3驱动程序的结构驱动程序的结构如图3.1所示，应用程序经过系统调用，进入核心层，内核要控制硬件需要通过驱动程序实现，驱动程序相当于内核与硬件之间的“系统调用”。图3.1驱动程序的结构3.3.1内核模块内核模块是Linux内核的重要组成要素，内核模块能在Linux系统启动之后能够动态进行装载和卸载，因此不需对内核进行重新编译或重启系统就可将内核的一部分替换掉，Linux内核的所有设备驱动，文件系统，网络协议等可做成模块的形式来提供。在所有的模块中需记录编译的内核版本信息，并与当前执行的内核版本一致。即，模块具有版本依赖性，如果不一样就会出错，当然可以在模块程序中的includelinux/module.h之前通过宏定义#define__NO_VERSION__表明不定义模块的版本信息。内核模块程序与一般应用程序之间主要不同之处是，模块程序没有main()函数，模块程序在装载时调用init_module(void)函数添加到内核中，在卸载时调用voidcleanup_module()函数从内核中卸载。另外一个应用程序从头到尾只执行一个任务，但一个模块可以把响应未来请求的事务登记到内核中，然后等待系统调用，内核模块程序结构如图3.2所示。init_module()register_capability()printk().....cleanup_module()unregister_capability()insmodrmmodModuleKernelcapabilities[]图3.2内核模块程序结构3.4主、从设备号应用程序通过设备文件系统（devfs）的名字(或节点)访问硬件设备，所有的设备节点在/dev目录下。利用mknod命令生成设备文件系统的节点，但只有超级用户才能生成设备文。Mknod命令必须要有设备名和设备类型，主设备号（MajorNumber），次设备号（MinorNumber）等3个参数。主设备号用于内核区分设备驱动，次设备号用于设备驱动区分设备。一个设备驱动可能控制多个设备。新的设备驱动要有新的主设备号。在内核源代码的Documentation/devices.txt中定义了所有设备的主设备号。在创建设备的时候不要与常用的设备好冲突。3.5驱动程序基本框架如果采用模块方式编写设备驱动程序时，通常至少要实现设备初始化模块、设备打开模块、数据读写与控制模块、中断处理模块（有的驱动程序没有）、设备释放模块和、设备卸载模块等几个部分。3.6重要结构体打开的设备在内核内部由file结构标识，内核使用file_operation结构访问驱动程序函数。file_operation结构是一个定义在linux/fs.h中的函数指针数组。每个文件都与它自己的函数集相关联。这个结构中的每一个字段都必须指向驱动程序中实现特定操作的函数。结构如下，详细内容可查阅相关文档。structfile_operations{structmodule*owner;loff_t(*llseek)(structfile*,loff_t,int);ssize_t(*read)(structfile*,char*,size_t,loff_t*);ssize_t(*write)(structfile*,constchar*,size_t,loff_t*);int(*readdir)(structfile*,void*,filldir_t);unsignedint(*poll)(structfile*,structpoll_table_struct*);int(*ioctl)(structinode*,structfile*,unsignedint,unsignedlong);int(*mmap)(structfile*,structvm_area_struct*);int(*open)(structinode*,structfile*);int(*flush)(structfile*);int(*release)(structinode*,structfile*);int(*fsync)(structfile*,structdentry*,intdatasync);int(*fasync)(int,structfile*,int);int(*lock)(structfile*,int,structfile_lock*);ssize_t(*readv)(structfile*,conststructiovec*,unsignedlong,loff_t*);ssize_t(*writev)(structfile*,conststructiovec*,unsignedlong,loff_t*);ssize_t(*sendpage)(structfile*,structpage*,int,size_t,loff_t*,int);unsignedlong(*get_unmapped_area)(structfile*,unsignedlong,unsignedlong,unsignedlong,unsignedlong);}四、总体设计1．在对设备驱动的有了充分的学习后，字符设备的驱动程序我们确定采用虚拟设备的驱动程序实现2．实现平台为linux系统，借助linux内核对设备驱动程序的抽象结构体和内核函数3．要明确定义虚拟设备的的设备结构体4．实现模块加载函数和卸载函数5．实现open(),close(),lseek(),write(),read()函数6．因源码包中已包含makefile，故利用make命令交叉编译memdev.c、test.c（已修改）等2个文件7．模块的动态加载，以及/dev/memdev节点的创建8．运行test程序测试，观察结果五、详细设计1.在对设备驱动的有了充分的学习后，字符设备的驱动程序我们确定采用虚拟设备的驱动程序实现，其中确定该设备主要的结构体为：structmem_dev{char*data;unsignedlongsize;};2.实现平台为linux系统，借助linux内核对设备驱动程序的抽象结构体和内核函数，要调用的内核抽象体有：structcdevcdev;//表示一个字符设备的内核设备的抽象体staticconststructfile_operationsmem_fops={.owner=THIS_MODULE,.llseek=mem_llseek,.read=mem_read,.write=mem_write,.open=mem_open,.release=mem_release,};3.要明确定义虚拟设备的的设备结构体structmem_dev{char*data;unsignedlongsize;};4.实现模块加载函数和卸载函数staticintmemdev_init(void){}staticintmemdev_exit(void){}5.实现open(),close(),lseek(),write(),read()函数intmem_open(structinode*inode,structfile*filp);intmem_release(structinode*inode,structfile*filp);staticssize_tmem_read(structfile*filp,char__user*buf,size_tsize,loff_t*ppos);staticssize_tmem_write(structfile*filp,constchar__user*buf,size_tsize,loff_t*ppos)staticloff_tmem_llseek(structfile*filp,loff_toffset,intwhence);6.编译模块，模块的动态加载，以及/dev/memdev节点的创建,mknod/dev/memdev结果如下：模块编译完，后我们需要把内核模块动态加载到内核，用命令insmodmemdev.ko加载，用命令lsmod显示加载成功，结果为：7运行test程序测试，观察结果我们看到我们用应用程序成功的写入了”xiaotian!”并出设备中成功的读出，证明我们的驱动程序运行完美。六、关键源代码注解/*设备驱动模块加载函数*/staticintmemdev_init(void){intresult;inti;dev_tdevno=MKDEV(mem_major,0);/*通过主设备号得到dev_t类型的设备号*//*静态申请设备号*/if(mem_major)result=register_chrdev_region(devno,2,memdev);else/*动态分配设备号*/{result=alloc_chrdev_region(&devno,0,2,memdev);mem_major=MAJOR(devno);}if(result0)returnresult;/*初始化cdev结构*/cdev_init(&cdev,&mem_fops);//使cdev与mem_fops联系起来cdev.owner=THIS_MODULE;//owner成员表示谁拥有这个驱动程序，使“内核引用模块计数”加1；THIS_MODULE表示现在这个模块被内核使用，这是内核定义的一个宏cdev.ops=&mem_fops;/*注册字符设备*/cdev_add(&cdev,MKDEV(mem_major,0),MEMDEV_NR_DEVS);/*为设备描述结构分配内存*/mem_devp=kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS*sizeof(structmem_dev),GFP_KERNEL);//目前为止我们始终用GFP_KERNELif(!mem_devp)/*申请失败*/{result=-ENOMEM;gotofail_malloc;}memset(mem_devp,0,sizeof(structmem_dev));/*为设备分配内存*/for(i=0;iMEMDEV_NR_DEVS;i++){mem_devp[i].si