Driver (驅動)

tags: `Linux`

Topic

Block Device
Character Device
Ref: LDD3

Introduction

在我們的裝置上，不論是電腦、手機甚至是網通設備這樣無法與人直接互動的設備等，皆需要 Driver 的存在，常見的裝置有"藍芽"、"網路卡"或是"鍵盤滑鼠"…等，然而這些裝置如果沒有像 Driver 這樣偏向硬體底層的軟體，那使用者將會需要耗費需多資源來進行程式的開發。

上圖為 Linux Kernel 的拆解分視圖，在一部嵌入式裝置上會提供許多功能，例如行程管理 (Process management)、記憶體管理 (Memory management)、檔案系統格式驅動 (Filesystems)、裝置設備控制 (Device control)及網路驅動控制 (Networking)等。大致上分為以下幾種Block devices、Character devices，在後面將會詳細介紹這幾種驅動型態。
在本章節將介紹如何建立一個驅動程式來讓 User Space 程式來進行使用，並且完成 Block Device 及 Character Device 兩種類型的實作，。

驅動程式類型介紹

Block devices

Block devices 可透過 /dev 中的 Filesystem nodes 來 Accessed。一個 Block 只能處理一到多個完整 Block 的 I/O 操作，大小為 512 bytes (或是更大的2的次方)。Linux 可以讓 User Space 讀取 Block device 如同操作File 一樣，而不用一次讀一整個 Block，在 User Space 中使用與 Char 基本上無差別。有差別的是在 Kernel & Driver 這一層完全不同。

Character devices

Character devices 可以被當作 A stream of bytes 來被 Accessed，就像 File 一樣。因此 Char dirver 就要負責至少 open, close, read, and write 的 system calls 操作，有的還有提供 ioctl 的操作方式。常見的例子有 Text Console (/dev/console) and the Serial Ports (/dev/ttyS0)，都是 Streaming 結構。Char devices 由 Filesystem nodes 來 accessed， such as /dev/tty1 and /dev/lp0。但跟一般 File 不同的是，一般 File 可以把指標往前往後來操作檔案，但是多數 Char device 只是 Data Channels，只能依序 Access。當然也有例外，而該例外多出現在 Frame Grabbers，就會像 Data Areas 一樣，可以在之中隨意前後操作，多用 mmap or lseek 來配合使用。

Block 與 Character 的差異

Block devices 是以固定大小長度來傳送轉移資料，而 Character devices 是以不定長度的字元傳送資料，而其操作方式在 User Spcae 則大同小異。

實際動手做做看吧

Block devices

那麼首先就是來建立一個空的 Block devices 吧，而我們要如何建立一支 Driver 呢?
那就必須要有他的主程式，在此我們命名為my_block.c，而內容如下：




























#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/blkdev.h>
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

#define MY_BLOCK_MAJOR	240
#define MY_BLKDEV_NAME	"my_block"

static __init int my_block_init(void)
{
	int status;
	status = register_blkdev(MY_BLOCK_MAJOR, MY_BLKDEV_NAME);
	if (status < 0) {
		 printk(KERN_ERR "unable to register mybdev block device\n");
		 return -EBUSY;
	}
	printk(KERN_INFO "Hello kernel\n");
	return 0;
}

static void __exit my_block_exit(void)
{
	printk(KERN_INFO "Goodbye\n");
	unregister_blkdev(MY_BLOCK_MAJOR, MY_BLKDEV_NAME);
}

module_init(my_block_init);
module_exit(my_block_exit);

而每一隻 Driver 都有共通的函式，init及exit，分別式掛載時用與卸載時用，然而 Block driver 需要向 Kernel 註冊自己，需要使用到 <linux/blkdev.h> 中的 register_blkdev 及 unregister_blkdev 來進行註冊與註銷的動作。
而每個 Block Device 都必須有個 Major Number ，該編號在 Kernel 中可使用的範圍定義於 linux/kdev_t.h 當中。掛載的方式為 insmod <DRIVER_NAME.ko> ，掛在上去後可用 sed -n '/^Block/, /^$/ { /^$/ !p }' /proc/devices 來查看裝置是否存在。
相關的 Source Code 請參考 Github 04-driver

Character devices

在前一段中，我們說明了 Block Devices Driver 的建立以及 Driver 基本所需的函式，而在此將說明如何建立一個簡單的 Character Devices Driver，在此我們命名為my_char.c，而內容如下：
























































































#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/ioctl.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

#define MY_CDEB_MAJOR	42
#define MY_CDEV_NAME	"my_char"
#define MY_MAX_MINORS  5

struct my_device_data {
	struct cdev cdev;
};

struct my_device_data devs[MY_MAX_MINORS];

const int arr[5];

static int my_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
	return 0;
}

static int my_read(struct file *file, char __user *user_buffer,
					size_t size, loff_t *offset)
{
	return 0;
}

static int my_write(struct file *file, const char __user *user_buffer,
					size_t size, loff_t * offset)
{
	return 0;
}

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

static long my_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	return 0;
}

const struct file_operations my_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = my_open,
	.read = my_read,
	.write = my_write,
	.release = my_release,
	.unlocked_ioctl = my_ioctl
};

static __init int my_char_init(void)
{
	int i, err;
	err = register_chrdev_region(MKDEV(MY_CDEB_MAJOR, 0), MY_MAX_MINORS,
								MY_CDEV_NAME);
	if (err != 0) {
		/* report error */
		return err;
	}
	for(i = 0; i < MY_MAX_MINORS; i++) {
		/* initialize devs[i] fields */
		cdev_init(&devs[i].cdev, &my_fops);
		cdev_add(&devs[i].cdev, MKDEV(MY_CDEB_MAJOR, i), 1);
	}
	printk(KERN_INFO "Hello kernel\n");
	return 0;
}

static void __exit my_char_exit(void)
{
	int i;
	printk(KERN_INFO "Goodbye\n");

	for(i = 0; i < MY_MAX_MINORS; i++) {
		/* release devs[i] fields */
		cdev_del(&devs[i].cdev);
	}
	unregister_chrdev_region(MKDEV(MY_CDEB_MAJOR, 0), MY_MAX_MINORS);
}

module_init(my_char_init);
module_exit(my_char_exit);

為了方便說明以下簡稱Block與Char，而與 Block 不同的是， Char 具有 read, write 等功能，使得使用者可以透過 Driver 來對 Devices 進行 Register 操作，進而做到 User Space 使用通用 Interface 即可使用多種多樣化的 Devices 。
可透過 sed -n '/^Character/, /^$/ { /^$/ !p }' /proc/devices 來查看裝置是否存在。
相關的 Source Code 請參考 Github 04-driver
在此我們將特別針對兩個常用函式進行說明，首先是 read()：





static int my_read(struct file *file, char __user *user_buffer,
					size_t size, loff_t *offset)
{
	return 0;
}

此函數是使用者透過開啟 file descriptor 或是稱 fd 時，進行 read 操作時會調用之函式，而第一個引數 sturct file *file 為該 fd 資訊結構體，而第二個引數 const char __user *user_buffer 為該次 read 操作時可使用的 User Space 變數指標，第三個引數 size_t size 為欲讀取的資料筆數，最後一個引數 loff_t *offset 為該 fd 對於基準點的偏移量。





static int my_write(struct file *file, const char __user *user_buffer,
					size_t size, loff_t * offset)
{
	return 0;
}

此函數是使用者透過開啟 file descriptor 或是稱 fd 時，進行 write 操作時會調用之函式，而第一個引數 sturct file *file 為該 fd 資訊結構體，而第二個引數 const char __user *user_buffer 為該次 write 操作時可使用的 User Space 變數指標，第三個引數 size_t size 為欲寫入的資料筆數，最後一個引數 loff_t *offset 為該 fd 對於基準點的偏移量。

本章節練習與反思

請依照 Github 所提供的 Source Code 為範本，設計一個 Character Driver ，讓使用者可以透過 read() 及 write() 來操作 Driver 內的 arr 變數，也就是，每開啟一個 fd 就可以操作對應的 arr 變數 address，舉例來說，第一個 fd 可以操作 arr[0]，第二個 fd 可以操作 arr[1] 以此類推。

測試程式位於此
測試方法為當 QEMU 啟動後，進入 /home/pi/test 資料夾，並執行 make check 即可

Hints: 不可以讓 fd 操作不屬於該 fd 的 Register。
思考為什麼 Driver 要設計成這個樣子，需要有註冊、註銷、ioctl、read 及 write 等函式架構?並紀錄於筆記當中。
還有試著去了解，當我們使用 read 及 write 等 System Call 時，它的程式流程，並紀錄於筆記當中。

參考資料

Guest Bailey2022/06/01 01:43:21

dirver

spell error >> "driver" (Edited)

Guest McCarthy2022/08/25 01:53:05

```clike= #include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/cdev.h> #include <asm/ioctl.h> MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL"); #define MY_CDEB_MAJOR 42 #define MY_CDEV_NAME "my_char" #define MY_MAX_MINORS 5 struct my_device_data { struct cdev cdev; }; struct my_device_data devs[MY_MAX_MINORS]; const int arr[5]; static int my_open(struct inode *inode, struct file *file) { return 0; } static int my_read(struct file *file, char __user *user_buffer, size_t size, loff_t *offset) { return 0; } static int my_write(struct file *file, const char __user *user_buffer, size_t size, loff_t * offset) { return 0; } static int my_release(struct inode *inode , struct file *filp) { return 0; } static long my_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) { return 0; } const struct file_operations my_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = my_open, .read = my_read, .write = my_write, .release = my_release, .unlocked_ioctl = my_ioctl }; static __init int my_char_init(void) { int i, err; err = register_chrdev_region(MKDEV(MY_CDEB_MAJOR, 0), MY_MAX_MINORS, MY_CDEV_NAME); if (err != 0) { /* report error */ return err; } for(i = 0; i < MY_MAX_MINORS; i++) { /* initialize devs[i] fields */ cdev_init(&devs[i].cdev, &my_fops); cdev_add(&devs[i].cdev, MKDEV(MY_CDEB_MAJOR, i), 1); } printk(KERN_INFO "Hello kernel\n"); return 0; } static void __exit my_char_exit(void) { int i; printk(KERN_INFO "Goodbye\n"); for(i = 0; i < MY_MAX_MINORS; i++) { /* release devs[i] fields */ cdev_del(&devs[i].cdev); } unregister_chrdev_region(MKDEV(MY_CDEB_MAJOR, 0), MY_MAX_MINORS); } module_init(my_char_init); module_exit(my_char_exit); ```

fewfewfe (Edited)

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Block 與 Character 的差異

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