・计算机技术・ 基于ｌｉｎｕｘ２．６内核的字符设备驱动程序设计 周来超 傅成华 刘宏玉 （四ＪＩＩ理工学院 四川Ｉ自贡 ６４３０００） ［摘 要］设备驱动程序在嵌入￣Ｌｉｎｕｘ中起着重大的作用，它提供了操作系统和硬件设备之间的交互的接Ｅｌ，能够让软件开发人员 不用知道底层硬件的特性，就能方便地进行上层软件的开发。本文基于嵌入￣（Ｌｉｎｕｘ２．６内核，对字符驱动程序的开发做出详细的讲解， 给出了ｌｉｎｕｘ２．６内核下字符设备程序开发的步骤，并写出了字符设备驱动开发的一般模块。 ［关键词］嵌入式Ｌｉｎｕｘ２ ６内核 字符设备驱动 ［中图分类号］ＴＰ３３９ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００７－９４１６（２０１０）０７—００１Ｏ一０２ １引言 嵌入式Ｌｉｎｕｘ支持多种体系结构，拥有 丰富的软件资源，支持多任务，有着完善的 网络通讯、图形、文件管理机制，更加重要 的是它能通过灵活剪裁来定制Ｌｉｎｕｘ内核， 使它能够满足各种不同环境下硬件要求。 以上种种的优点使它被广泛的应用于工业 生产中。但是由于嵌入式Ｌｉｎｕｘ操作系统本 身没有对种类繁多的硬件一一提供驱动， 在开发过程当中更没有通用的驱动程序可 以使用，这就要求我们能够根据自己硬件 设备特点独立开发设备驱动。 ｌｉｎｕｘ支持３类硬件设备：字符设备、块 设备及网络接口。字符设备是指那些无需 缓冲直接读写的设备，可以像文件一样访 问的字符设备。本文重点讲述了在Ｌｉｎｕｘ２． ６内核下，编写字符设备驱动程序的步骤和 一些方法。 ２ ｃｄｅｖ结构体 存ｌｉｎｕｘ２．６内核中，使用ｃｄｅｖ结构体描 述一个字符设备，ｃｄｅｖ结构体定义如下： ｓｔｒｕｃｔ ｃｄｅｖ ｛ ｓｔｒｕｃｔ ｋｏｂｊｅｃｔ ｋｏｂｊ； 豫 ， ｓｔｒｕｃｔ ｍｏｄｕｌｅ ｏｗｎｅｒ； ／十所属模块｝／ ｓｔｒｕｃｔ ｆｉｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｏｐｓ；／十文件操作 结构体 ／ ’ ｓｔｒｕｃｔ ｌｉｓｔ＿ｈｅａｄ ｌｉｓｔ； ｄｅｖ—ｔ ｄｅｖ； ／十设备号十／ ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｃｏｕｎｔ； ｝； ｃｄｅｖ结构体的ｄｅｖ—ｔ成员定义了设备号， 为３２位，其中ｌ ２位为主设备号，２０位为此设 备号。使用下列宏可以从ｄｅｖ—ｔ获得主设备 号和次设备号： ＭＡＪ０Ｒ（ｄｅｖ ｔ ｄｅｖ） ＭＩＮＯＲ（ｄｅｖ—ｔ ｄｅｖ） 而使用宏ＭＫＤＥＶ（ｉｎｔ ｍａｊｏｒ，ｉｎｔ ｍｉｎｏｒ） 则可以通过主设备号和次设备号生成 ３ ｆｉｌｅ—ｏｐｅｒａｔ ｉｏｎｓ结构体 ｆｉｌｅ—ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ结构体中的成员函数是 字符设备驱动程序设计的主要内容，这些 函数实际会在应用程序进行ｌｉｎｕｘ的ｏｐｅｎ（）、 ｗｒｉｔｅ（）、ｒｅａｄ（）、ｃｌｏｓｅ（）等系统调用时最终被 调用。以下是该结构体当中的一些主要成 员： ｓｔｒｕｃｔ ｆｉｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｛ ｌｏｆｆｔ（十ｌｌｓｅｅｋ）（ｓｔｒｕｃｔ ｆｉｌｅ｝，ｌｏｆｆ—ｔ ０ 数字技术与应用 ｉｎｔ）；／／用来修改文件当前读写位置 ｉｎ （＊ｏｐ ｅｎ）（ｓｔｒｕｃｔ ｉｎｏｄｅ ，ｓｔｒｅｅｔ ｆｉｌｅ ．）；／／打开文件 ｓｓｉｚｅｔ（＊ｒｅａｄ）（ｓｔｒｕｃｔ ｆｉｌｅ｝，ｃｈａｒ ｕｓｅｒ ｛，ｓｉｚｅｔ，ｌｏｆｆｔ ）； ／／从设备中同步读取数据 ｓｓｉｚｅｔ（＊ｗｒｉｔｅ）（ｓｔｒｕｃｔ ｆｉｌｅ｝．ｃｈａｒ ｕｓｅｒ ｝，ｓｉｚｅｔ，ｌｏｆｆｔ｛）； ／／向设备发送数据 ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ（＊ｐｏｌ１）（ｓｔｒｕｃｔ ｆｉｌｅ十，ｓｔｒｕｃｔ ｐｏｌｌｔａｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔ ）： ／／轮询函数，判断目前是否可以进行 非阻塞的读取或写入 ｉｎｔ（＊ｉｏｃｔ１）（ｓｔｒｕｃｔ ｉｎｏｄｅ｝，ｓｔｒｕｃｔ ｆｉｌｅ 十，ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ，ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ）；／／执行 设备ＩＯ控制命令 ｉｎｔ（ ｍｍａＰ）（ｓｔｒｕｃｔ ｆｉｌｅ ， ｓｔｒｕｃｔ ｖｍａｒｅａ ｓｔｒｕｃｔ ）； ／／用于请求将设备内存映射到进程地 址空间 ４设备号的分配和释放 在调用ｃｄｅｖ—ａｄｄ（）函数向系统注册字符 设备之前，应首先调用ｒｅｇｉｓｔｅｒ—ｃｈｒｄｅｖ—ｒｅｇ ｉｏｎ（）或者ａｌｌｏｃ—ｃｈｒｄｅｖ—ｒｅｇｉｏｎ（）函数向系统 申请设备号，以下是这两个函数的原型： ｉｎｔ ｒｅｇｉｓｔｅｒ——ｃｈｒｄｅｖ——ｒｅｇｉｏｎ（ｄｅｖ——ｔ ｆｒｏｍ， ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｏｕｎｔ，ｃｏｎｓｔ ｃｈａｒ＊ｎａｍｅ）； ｉｎｔ ａｌｌｏｃｃｈｒｄｅｖｒｅｇｉｏｎ（ｄｅｖ——ｔ＊ｄｅｖ， ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｍｉｎｏｒ，ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｏｕｎｔ，ｃｏｎｓｔ ｃｈａｒ＊ｎａｍｅ）； ｒｅｇｉｓｔｅｒｃｈｒｄｅｖｒｅｇｉｏｎ（）函数用于已知 其实设备的设备号的情况，而ａｌｌｏｃ—ｃｈｒｄｅｖ ｒｅｇｉｏｎ（）用于设备号未知，向系统动态申请 未被占用的设备号的情况，函数调用成功 之后，会把得到的设备号放入第一个参数ｄ ｅｖ当中。ａｌｌｏｃ—ｃｈｒｄｅｖ—ｒｅｇｉｏｎ（）会自动避开设 备号重复的冲突。 而在调用ｃｄｅｖ—ｄｅｌ（）函数从系统注销字 符设备之后，应该调用ｕｎｒｅｇｉｓｔｅｒ—ｃｈｒｄｅｖ—ｒ ｅｇｉｏｎ（）函数来释放原先申请的设备号，其 函数原型为： ｖｏｉｄ ｕｎｒｅｇｉｓｔｅｒ——ｃｈｒｄｅｖ——ｒｅｇｉｏｎ（ｄｅｖ——ｔ ｆｒｏｍ，ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｃｏｕｎｔ）； ５字符设备驱动模块加载与卸载 函数 在ｌｉｎｕｘ中，字符设备驱动由字符设备 驱动模块加载和卸载函数，以及ｆｉｌｅ—ｏｐｅｒａｔ ｉｏｎｓ结构体中的成员函数组成。 在字符设备驱动模块加载函数中应该 实现设备号的申请和ｃｄｅｖ的注册，而在卸 载函数中应该实现设备号的释放和ｃｄｅｖ的 注销。通常是为设备定义一个与设备相关 的结构体，其中包含设备所涉及到的ｃｄｅｖ、 私有数据及信号量等信息。如下所示： ／ 设备结构体 ／ ｓｔｒｕｃｔ ＸＸＸ——ｄｅｖｔ ｆ ｓｔｒｕｃｔ ｃｄｅｖ ｃｄｅｖ； …… ／／该设备其他的私有数据和 信号量的信息的定义 ｝ＸＸＸ—ｄｅｖ； 模块加载和卸载函数的形式如下： ／＋设备驱动模块加载函数 ／ ｓｔａｔｉｃ ｉｎｔｉｎｉｔ ＸＸＸｉｎｉｔ（ｖｏｉｄ） ｛ ｃｄｅｖｉｎｉｔ（＆ｘｘｘｄｅｖ．ｃｄｅｖ，＆ｘｘｘ—ｆｏｐｓ）； ｘ ｘ ｘｄ ｅ ｖ ． ｃ ｄ ｅ ｖ． ｏｗｎｅｒ＝ＴＨＩＳＭＯＤＵＬＥ； …………………／／获取字符设备号 ｉｆ（ｘｘｘ—ｍａｊｏｒ） ｆ ｒｅｇｉｓｔｅｒ—ｃｈｒｄｅｖｒｅｇｉｏｎ（ｘｘｘ—ｄｅｖ—ｎｏ， １，ＤＥＶＮＡＭＥ）； ・｝ ｅｌｅｓ ｒ Ｌ ａｌｌｏｃｃｈｒｄｅｖ—ｒｅｇｉｏｎ（＆ｘｘｘ—ｄｅｖ＿ｎｏ，０， １，ＤＥＶ ＮＡＭＥ）； ｝ ｒｅｔ＝Ｃｄｅｖａｄｄ（＆ＸＸＸ—ｄｅｖ．ｃｄｅＶ， ＸＸＸｄｅｖｎｏ，１）； ／／注册设备 ｊ ／ 设备驱动模块卸载函数 ／ ｓｔａｔｉｃ ｖｏｉｄ一一ｅｘｉｔ ＸＸＸ—ｅｘｉｔ（ｖｏｉｄ） ｆ ｕｎｒｅｇｉｓｔｅｒｃｈｒｄｅｖｒｅｇｉｏｎ（ｘｘｘ＿ｄｅｖ＿ｎｏ， １）； ｃｄｅｖ ｄｅｌ（＆ｘｘｘ ｄｅｖ．ｃｄｅｖ）； ／／注 销设备 …… 的 露 薮ｐｅｒａｔ。ｏｎｓ结构体中 ｆｉｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ结构体中的成员函数是 字符设备驱动与内核的接口，是用户空间 对ｌｉｎｕｘ进行系统调用的最终落实者。编写 相应的函数，通过向ｆｉｌｅ—ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ结构体赋 值，来实现内核对设备的ｏｐｅｎ（）、ｒｅａｄ（）、 ｗｒｉｔｅ（）、ｉｏｃｔｌＯ操作。以下是ｉｏｃｔｌ（）函数实现 模型： ｉｎｔ ｘｘｘ＿＿ｉｏｃｔｌ（ｓｔｒｕｃｔ［ｎｏｄｅ＊ｉｎｏｄｅ，ｓｔｒｕｃｔ ｆｌｉｅ＊ｆｉｌｐ，ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ｃｍｄ，ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｌｏｎｇ ａｒｇ） ｛ ・计算机技术・ ＤＷ多维层次结构的汇总性设计 孙晓敏 任广伟 （贵州大学计算机科学与信息学院 贵州贵阳 ５ ５００２５） 【摘 要］层次是多维数据的一个重要组成部分。在数据仓库和ＯＬＡＰ中提供了研究不同级别的明细数据。不同的明细数据可以通过 上卷和下钻操作实现。为了实现不同层次的汇总性，本文采用几种类型的层次及不同级别的数据依赖性，探讨在数据仓库基础上实施 立体层次机制的逻辑计划。根据相应的执行维层次结构上的依赖的算法，实现不同层次的汇总性，用以保证聚合的正确性。本文的创新 点在于从数据依赖出发去实现层次的汇总性。 【关键词］ＤＷ ＯＬＡＰ 数据依赖 汇总性 ［中图分类号】Ｕ６６４ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１００７－９４１６（２０１０）０７－００１ｌ－０２ 引言 为重点研究方面。 称的，如图１即为对称的。反之，当所有的 ＯＬＡＰ允许ＤＷ中的数据进行动态操作 层次水平都不是强制的，即有可能的路径 与更新。ＤＷ数据的聚合可以通过实施维度 不包括各个等级或者有父母水平没有孩子 层次结构的汇总性来实现。本文学习和研 性，归属性 １维层次结构一结构性，汇总 的，那么这个简单的层次结构立体不对称， 究不同类型的层次结构以及聚合的正确性 立体维层次结构及分类在之前已经有 如图２所示。我们称不对称的这些等级不具 问题。为了确保汇总性，在不对称的层次上 相应研究。简单维层次结构是树型结构。例 备完全汇总性。 实施依赖关系也是本文讨论的一部分。关 如把一对多的父子关系生成维层次树。如 层次多重性指从最低层到最顶部的路 系逻辑方案中的机制，如何实现维层次结 果存在一个从最底层到顶端单一的路径， 径有多条，即表示在不同的水平之中存在 构，以及执行规定的依赖的运算法则也将 并且各级都是强制的（即它具有完全汇总 ｄ 多对一的父子关系，如图３中表示（左图中 在以下章节进行介绍。为了实现层次产生 性并且沿着各水平的聚合操作是平凡的），ＣＯ０ Ｏ 结点４存在两个父亲１和２，右图中结点５有 ２ 和操纵的实施机制，ＤＷ逻辑中的元数据成 那么我们称这个简单的维层次结构树是对 ｅ Ｖ 薅父亲２和３）。这种多维层次结构与不对称 ２ 一、 ｅ 立体层次一样也不具有完全汇总性。 …一一ｔ 一 ２●２２／① Ｍ 现目前最重要目标是设计正确的汇总 ＼ ／ ＼ ／ ＼ ～－－４２ ０３－？一［＝ １ ， 、 ｅ 性，这是为了确保ＯＬＡＰ和其他环境中的维 （ Ｃ】 Ｃ２ 层次结构。汇总性要求水平属性是不相交 净…一 ＣＮＩｕ Ｉ．Ｉ．￡； 的或者说是不完整的，也就是说每个元素 必须是分配给上级的元素。这是由相关性 西 ③ ④ 图４维层次结构表构造 分析的维度中的属性决定的。在Ｄ ｗ逻辑 图１ 对称立体层次图２不对称立体层 表１ ＤＷ的多维层次的元数据 ｊ 担 达到的目的 ／④ ⑨⑨ Ｔｒａｖｅｒｓｅ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ（） 从表中的关系获得关系表的主键 Ｃｒｅａｔｅ Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ Ｔａｂｌｅ（） 创建维层次表 Ｇｅｎｅｒａｔｅ Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ Ｔａｂｌｅ（） 嫡过主键与外键ｚ间的关系插＾记录到维层次衰 Ｃｈｉｌｄ ｗｉｔｈ Ｍｕｔｉｐｌｅ Ｐａｒｅｎｔｓ（） 检查维层次表中多维儿子的父亲 图３立体多维层次结构 Ｐａｒｅｎｔｓ ｗｉｔｈ Ｍｕｔｉｐｌｅ Ｃｈｉｌｄｒｅｎ（） 检查维层次表中多维父亲的孩子们 ｓｗｉｔｃｈ（ｃｍｄ） ／ 设备驱动模块卸载函数＋／ ｛ ｓｔａｔｉｃ ｖｏｉｄ一一ｅｘｉｔ ＸＸＸ—ｅｘｉｔ（ｖｏｉｄ）｛……｝ ｃａｓｅ ＸＸＸ—ｃｍｄ１： ７设备驱动程序设计 ｍｏｄｕｌｅ—ｉｎｉｔ（ｘｘｘ—ｉｎｉｔ）ｌ 以上对ｌｉｎｕｘ２．６内核下字符设备驱动 ｍｏｄｕｌｅ—ｅｘｉｔ（ｘｘｘ—ｅｘｉｔ）； ｂｒｅａｋ； 程序设计中的一些重要数据结构及其在具 ｃａｓｅ ＸＸＸ—ｃｍｄ２： 体的驱动程序中编程的用法做了详细的介 ８结语 绍，具有一般性，下面就以上的内容给出在 本文重点讲了基于ｌｉｎｕｘ２．６内核下的 ｂｒｅａｋＩ ｌｉｎｕｘ２．６内核下，设备驱动程序开发的Ｃ代 设备驱动程序设计的步骤，详细的分析了 ｄｅｆａｕｌｔ： ／／不能识别的命令 码模块： 内核中有关的数据结构，并给出了相应的 ｒｅｔｕｒｎ ＥＮＯＴＴＹ； …… ／／必要的头文件，由要开发的 使用模型。最后，结合本文给出的方法，给 ＇ Ｊ 驱动决定 出了编写驱动程序的Ｃ代码框架。 ， Ｊ ＭＯＤＵＬＥＬＩＣＥＮＳＥ（“ＧＰＬ”）； 接下来就是定义一个ｆｉｌｅ—ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ的 ｓｓｚｉｅｔ ＸＸＸ—ｒｅａｄ（ｓｔｒｕｃｔ ｆｉｌｅ｝．ｃｈａｒ ［参考文献］ 实例，并把具体设备驱动的函数与 ｕｓｅｒ十，ｓｉｚｅ—ｔ ｃｏｕｎｔ，ｌｏｆｆ—ｔ｛ｆｏｐｓ）｛ 【１】ＡＬＥＳＳＡＮＤＲ０ ＲＵＢＩＮＩ，等，魏永 ｆｉｌｅ……………… ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ结构体中的成员函数联系起 ／／相关代码实现 ｝ 明，等译．ＬＩＮＵＸ设备驱动程序［Ｍ］．中国电 来，可以这么做： ／／具体的设备驱动相关函数的实现 力出版社，２００２． ｓｔｒｕｃｔ ｆｉｌｅ——ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ＸＸＸ——ｆｏｐｓ＝ ｓｔｒｕｃｔ ｆｉｌｅ—ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ＸＸＸｆｏｐｓ＝｛ ｛ ……… ）； ［２］于明，范书瑞，曾祥烨．ＡＲＭ９嵌入 式系统设计与开发教程【Ｍ】．北京：电子工 ．ｏｗｎｅｒ＝ＴＨＩＳ—Ｍ０ＤＵＬＥ． ／／给ｆｉｌｅ—ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ成员赋值 业出版社，２００６． ．ｒｅａｄ＝ｘｘｘｒｅａｄ， ｓｔｒｕｃｔ ＸＸＸｄｅｖ—ｔ｛………｝ＸＸＸ～ｄｅｖ；／ 【３】华清远见嵌入式培训中心，嵌入式 ．ｗｒｉｔｅ＝ｘｘｘｗｒｉｔｅ， ／定义设备结构体 Ｌｉｎｕｘ应用程序开发标准教程（第二版）ｆＭ】． ．ｉｏｃｔｌ＝ｘｘｘｉｏｃｔｌ， ／＋设备驱动模块加载函数＋／ 人民邮电出版社，２００９． ．ｏｐｅｎ＝ｘｘｘ＿ｏｐｅｎ， ｓｔａｔｉｃ ｉｎｔ ＿＿ｉｎｉｔ ｘｘｘｉｎｉｔ（ＶＯｉｄ） ｆ……………………｝ 【４】商斌，Ｌｉｎｕｘ设备驱动开发入门与编 程实践［Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００９． 数字技术与应用