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Linux 设备驱动开发详解

Linux 内核模块

Linux 内核模块简介

模块的特点: 1. 模块可以不用在编译时候加入内核, 可以控制内核的大小 2. 模块一旦被加载, 就与内核中的其他部分一样

Linux 内核模块程序结构

  • 内核模块的组成:
    • 模块加载函数
    • 模块卸载函数
    • 模块许可证
    • 模块参数
    • 模块导出符号
    • 模块作者等

模块加载函数

  • 使用 __init 标识声明
    • 实质: #define __init __attrubite__((__section__(".init.text")))
    • 除了函数外, 数据也可以使用 __initdata 进行定义, 作为初始化时候使用的数据
  • 使用 module_init(MODULE_INIT_FUNCTION) 指定

    [!note] 内核中的错误编码 内核中的错误编码是一个接近 0 的负值, 在 <linux/errno.h> 定义, 在错误的时候返回相应的错误编码是一个好习惯, 只有这样, 用户程序才可以利用 perror 等方法将其转换成有意义的错误信息字符串

  • 在内核模块中, 可以使用 request_module(module_name) 来加载其他内核模块

模块卸载函数

模块参数

  • 使用 module_param(参数名, 参数类型, 权限) 为模块定义一个参数 
    static char *book_name = "linux device driver";
module_param(book_name, charp, S_IRUGO);

static int book_num = 0;
module_param(book_num, int, S_IRUGO);
  • 用户需要在加载内核模块时候进行传递参数

Linux 文件系统与设备文件

Linux 文件系统

Linux 文件系统与设备驱动

udev 用户空间设备管理

  • udev 在用户态工作
  • udev 利用设备加入或移除时候所发送的热插拔事件来工作, 在热插拔时, 设备的详细信息会由内核通过 netlink 套接字发送, 而 udev 会利用从内核收到的信息来创建设备文件节点

字符设备驱动

Linux 字符设备驱动结构

cdev 结构体

struct cdev {
    struct kobject kobj;  // 内嵌的kobject对象
    struct module *owner; // 所属模块
    const struct file_operations *ops; // 文件操作结构体
    struct list_head list;
    dev_t dev;            // 设备号
    unsigned int count;
};
- 获得主设备号和次设备号的方法: - MAJOR(dev_t dev) - MINOR(dev_t dev) - 通过主设备号与次设备号生成 dev_t 的方法: MKDEV(int major, int minor) - 操作 cdev 结构体的方法: - void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *); -> 初始化 cdev 成员, 并建立 cdev 与 file_operations 之间的连接 - struct cdev *cdev_alloc(void); -> 动态申请一个 cdev 内存 - void cdev_put(struct cdev *p); - int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned); -> cdev 设备的注册, 通常发生在字符设备驱动模块的加载函数中 - void cdev_del(struct cdev *); -> 设备的注销, 通常发生在字符设备驱动模块的卸载函数中

分配和释放设备号

在调用 cdev_add 来向系统注册字符设备之前, 需要先调用 register_chrdev_region() 或 alloc_chrdev_region() 函数来向系统申请一个设备号, register_chrdev_region() 用于已知其实设备的设备号的情况, alloc_chrdev_region() 用于位置的情况, 会向系统动态申请未被占用的设备号 在注销时候, 需要使用 unregister_chrdev_region 释放设备号

file_operations 结构体

file_operations 结构体中几乎全是函数指针, 这些都是 linux 在进行 open(), write(), read(), close() 等系统调用时候最终被内核调用的函数. 

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 (*iopoll)(struct kiocb *kiocb, bool spin);
        int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
        int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
        __poll_t (*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 *);
        unsigned long mmap_supported_flags;
        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 (*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_MMU
        unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
    #endif
        ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,
                loff_t, size_t, unsigned int);
        loff_t (*remap_file_range)(struct file *file_in, loff_t pos_in,
                       struct file *file_out, loff_t pos_out,
                       loff_t len, unsigned int remap_flags);
        int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
    };

[!note] ioctl 命令 Linux 建议的定义 ioctl 命令方式: image.png 其中的设备类型字段为一个幻数, 用来标识一个设备 方向表示数据传送的方向, 可能为 _IOC_NONE (无数据传输), _IOC_READ (读), _IOC_WRITE (写), _IOC_READ|_IOC_WRITE (双向), 这里的数据传送方向是从应用程序的角度来看的 在内核中还定义了 _IO(), _IOR(), _IOW() 和 _IOWR() 这几个宏来辅助生成命令

Linux 字符设备驱动的组成

  1. 字符设备驱动模块加载与卸载函数
  2. 字符设备驱动的 file_operations 结构体中的成员函数

    在成员函数的实现中, 经常需要用到 copy_from_user() 和 copy_to_user() 来完成内核空间与用户空间的内存复制 虽然内核空间可以访问用户空间的缓冲区, 但是在访问之前, 一般需要检查合法性, 通过 access_ok(type, addr, size) 来进行检查, 确保传入的缓冲区属于用户空间 Linux 内核中的许多安全漏洞都是因为遗忘了这一检查引发的, 攻击者伪造一片内核空间的缓冲区地址传入系统调用的接口, 让内核对这个内核空间填充数据 image.png