虚拟串口设备驱动

news/2024/11/30 3:36:43/

前面内容：
1 Linux驱动—内核模块基本使用

2 Linux驱动—内核模块参数，依赖(进一步讨论）

3 字符设备驱动

虚拟串口设备驱动

  • 虚拟串口设备
  • 虚拟串口设备驱动

先学习下虚拟串口设备是啥？

虚拟串口设备

在进一步实现字符设备驱动之前，我们先来讨论一下这本书中用到的一个虚拟串口设备。这个设备是驱动代码虚拟出来的，不能实现真正的串口数据收发,但是它能够接收用户想要发送的数据，并且将该数据原封不动地环回给串口的收端，使用户也能从该串口接收数据。也就是说，该虚拟串口设备是一个功能弱化之后的只具备内环回作用的串口，如图3.3所示。
在这里插入图片描述

这一功能的实现

主要是在驱动中实现了一个FIFO，驱动接收用户层传来的数据，然后将之放入FIFO，当应用层要获取数据时，驱动将FIFO中的数据读出，然后复制给应用层。
一个更贴近实际的形式应该是在驱动中有两个FIFO,一个用于发送，一个用于接收，但是这并不是实现这个简单的虛拟串口设备驱动的关键，所以为了简单起见，这里只用了一个FIFO。

内核中已经有了一个关于FIFO的数据结构struct kfifo,相关的操作宏或函数的声明、
定义都在“include/inux/kfifo.h"头文件中，下面将最常用的宏罗列如下。

DEFINE_KFIFO(fifo,type,size)
kfifo_from_user(fifo,from,len,copied)
kfifo_to_user(fifo,to,len,copied)

DEFINE_ KFIFO用于定义并初始化一个FIFO,这个变量的名字由fifo参数决定, type是FIFO中成员的类型，size 则指定这个FIFO有多少个元素，但是元素的个数必须是2的幂。

kfifo_from_user 是将用户空间的数据(from) 放入FIFO中，元素个数由len来指定，实际放入的元素个数由copied返回。

kfifo_to_user 则是将FIFO中的数据取出，复制到用户空间(to)。 len 和copied的含义同kfifo_ from_ user 中对应的参数。

虚拟串口设备驱动

字符设备驱动除了前面搭建好的框架外，接下来最重要的是实现设备的操作方法。

#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kfifo.h>#define VSER_MAJOR	256
#define VSER_MINOR	0
#define VSER_DEV_CNT	1
#define VSER_DEV_NAME	"vser"static struct cdev vsdev;
DEFINE_KFIFO(vsfifo, char, 32);static int vser_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}static int vser_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}static ssize_t vser_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{unsigned int copied = 0;kfifo_to_user(&vsfifo, buf, count, &copied);return copied;
}static ssize_t vser_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{unsigned int copied = 0;kfifo_from_user(&vsfifo, buf, count, &copied);return copied;
}static struct file_operations vser_ops = {.owner = THIS_MODULE,.open = vser_open,.release = vser_release,.read = vser_read,.write = vser_write,
};static int __init vser_init(void)
{int ret;dev_t dev;dev = MKDEV(VSER_MAJOR, VSER_MINOR);ret = register_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT, VSER_DEV_NAME);if (ret)goto reg_err;cdev_init(&vsdev, &vser_ops);vsdev.owner = THIS_MODULE;ret = cdev_add(&vsdev, dev, VSER_DEV_CNT);if (ret)goto add_err;return 0;add_err:unregister_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT);
reg_err:return ret;
}static void __exit vser_exit(void)
{dev_t dev;dev = MKDEV(VSER_MAJOR, VSER_MINOR);cdev_del(&vsdev);unregister_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT);
}module_init(vser_init);
module_exit(vser_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Kevin Jiang <jiangxg@farsight.com.cn>");
MODULE_DESCRIPTION("A simple character device driver");
MODULE_ALIAS("virtual-serial");

新的代码驱动在代码DEFINE_KFIFO(vsfifo, char, 32);定义并初始化了一个名叫vsfifo的structu kfifo对象，每个对象的类型为char，共有32个元素的空间。

static int vser_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}static int vser_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}

代码实现了设备的打开和关闭函数，分别对应于file_operations 内的open和release方法。
因为是虚拟设备，所以这里并没有需要特别处理的操作，仅仅返回0表示成功。
这两个函数都有两个相同的形参，

  1. 第一个形参是要打开或关闭文件的inode,
  2. 第二个形参则是打开对应文件后由内核构造并初始化好的file 结构

在前面的章节中我们已经较深入地分析了这两个对象的作用。
在这里之所以叫release而不叫close是因为一个文件可以被打开多次,那么vser_ open函数相应地会被调用多次,但是关闭文件只有到最后一个close操作才会导致vser_ release函数被调用，所以用release更贴切。

代码

static ssize_t vser_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{unsigned int copied = 0;kfifo_to_user(&vsfifo, buf, count, &copied);return copied;
}

是read系统调用的驱动实现，这里主要把FIFO中的数据返回给用户层，使用了kfifo_to_user这个宏。返回给用户层。
read 系统调用要求用户返回实际读取的字节数，而copied变量的值正好符合这一要求。

代码第36行到第43行是对应的write系统、

static ssize_t vser_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{unsigned int copied = 0;kfifo_from_user(&vsfifo, buf, count, &copied);return copied;
}

调用的驱动实现，同read系统调用一样，只是数据流向相反而已。

读和写函数引入了3个新的形参，分别是buf, count 和pos,根据上面的代码，已经不难发现它们的含义。buf 代表的是用户空间的内存起始地址; count 表示用户想要读写多少个字节的数据:而pos是文件的位置指针，在虚拟串口这个不支持随机访问的设备中，该参数无用。_user是提醒驱动代码编写者，这个内存空间属于用户空间。

代码

static struct file_operations vser_ops = {.owner = THIS_MODULE,.open = vser_open,.release = vser_release,.read = vser_read,.write = vser_write,
};

这里是将file_operations 的函数指针分别指向上面定义的函数
你看 .read指向vser_read函数

这样在驱动这样在应用层发生相应的系统调用后，在驱动里面的函数就会被相应地调用。

上面这个示例实现了一个功能非常简单，但是基本可用的虚拟串口驱动程序。

按照下面的步骤可以进行验证。

先创建设备号

sudo mknod /dev/vser0 c 256 0

在这里插入图片描述

然后编译运行
make
make modules_install
sudo modpeobe vser
在这里插入图片描述

然后 往这个设备中dev/vser0写入数据
echo "vser deriver test" > /dev/vser0
然后查看
cat /dev/vser0
最后
会出现
vser deriver test

通过实验结果可以看到，对/dev/vser0 写入什么数据，就可以从这个设备读到什么数据，和一个具备内环回功能的串口是一致的。

为了方便读者对照查阅，特将file_operations 结构类型的定义代码列出。从中我们可以看到，还有很多接口函数还没有实现，在后面的章节中，我们会陆续再实现一些接口。

struct file_operations {struct module *owner;loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);int (*open) (struct inode *, struct file *);int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);int (*release) (struct inode *, struct file *);int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);int (*fasync) (int, struct file *, int);int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);int (*check_flags)(int);int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset, loff_t len);void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMUunsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
};

显然，一个驱动对下面的接口的实现越多，它对用户提供的功能就越多，但这也不是说我们必须要实现下面的所有函数接口。比如串口不支持随机访问，那么lseek函数接口自然就不用实现。


http://www.ppmy.cn/news/252071.html

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