20145211《信息安全系统设计基础》实验四 驱动程序设计

课程：信息安全系统设计基础
班级：1452 1453
姓名：黄志远  王亦徐
学号：20145211 20145311
实验日期：2016.11.24

实验时间：10:10-12:25

实验名称：外设驱动程序设计

实验目的与要求：

1.掌握实时系统应用和驱动程序的编写
2.选择某个接口电路

实验仪器：

实验仪器	型号	数量
计算机	Lenovo	1
虚拟Linux环境	Redhat 9.0	1
Arm开发板	UP-NETARM2410-CL	1

一、实验内容

1.阅读和理解源代码

(1)功能

• demo_read,demo_write 函数完成驱动的读写接口功能，do_write 函数实现将用户写入的数据逆序排列，通过读取函数读取转换后的数据。这里只是演示接口的实现过程和内核驱动对用户的数据的处理。

（2）源代码框架

#define DEVICE_NAME  "demo"
static ssize_t demo_write(struct file *filp,const char * buffer, size_t count)
{ 
    char drv_buf[];
    copy_from_user(drv_buf , buffer, count);
    …
}
static ssize_t demo_read(struct file *filp,char *buffer,size_t count,loff_t *ppos)
{
char drv_buf[];
copy_to_user(buffer, drv_buf,count);
….
}
static int demo_ioctl(struct inode *inode, struct file *file,unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
}
static int demo_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
}
static int demo_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    MOD_DEC_USE_COUNT;
    DPRINTK("device release
");
    return 0;
}
static struct file_operations demo_fops = {
    owner:  THIS_MODULE,
    write:demo_write, 
    read: demo_read, 
    ioctl: demo_ioctl,
    open: demo_open,
    release:demo_release,
};
#ifdef CONFIG_DEVFS_FS
static devfs_handle_t devfs_demo_dir, devfs_demoraw;
#endif
static int __init demo_init(void)
{
    int result;
    #ifdef CONFIG_DEVFS_FS
    devfs_demo_dir = devfs_mk_dir(NULL, "demo", NULL);
    devfs_demoraw = devfs_register(devfs_demo_dir, "0", DEVFS_FL_DEFAULT,
    demo_Major, demo_MINOR, S_IFCHR | S_IRUSR | S_IWUSR,&demo_fops, NULL);
    ＃else
    SET_MODULE_OWNER(&demo_fops);
    result = register_chrdev(demo_Major, "scullc", &demo_fops);
    if (result < 0) return result;
    if (demo_Major == 0) demo_Major = result; /* dynamic */
    #endif
    printk(DEVICE_NAME " initialized
");
    return 0;
}
static void __exit demo_exit(void)
{
    unregister_chrdev(demo_major, "demo");
    kfree(demo_devices);
    printk(DEVICE_NAME " unloaded
");
}
module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);

（3）注释

将驱动映射为标准接口

• static struct file_operations demo_fops = {…}完成了将驱动函数映射为
  标准接口。

驱动向内核注册

• devfs_registe（）和 register_chrdev（）函数完成将驱动向内核注册。

Open方法

• Open 方法提供给驱动程序初始化设备的能力，从而为以后的设备操作做好准备，此外open操作一般还会递增使用计数，用以防止文件关闭前模块被卸载出内核。

  - 递增使用计数
  - 检查特定设备错误。
  - 如果设备是首次打开，则对其进行初始化。
  - 识别次设备号，如有必要修改 f_op 指针。
  - 分配并填写 filp->private_data 中的数据。

Release 方法

• 与 open 方法相反，release 方法应完成如下功能：

  - 释放由 open 分配的 filp->private_data 中的所有内容
  - 在最后一次关闭操作时关闭设备
  - 使用计数减一

Read 和 和 Write 方法

ssize_t demo_write(struct file *filp,const char * buffer, size_t count,loff_t *ppos)
ssize_t demo_read(struct file *filp, char *buffer, size_t count, loff_t *ppos)

• read 方法完成将数据从内核拷贝到应用程序空间，write 方法相反，将数据从应用程
  序空间拷贝到内核。对于者两个方法，参数 filp 是文件指针，count 是请求传输数据的长
  度，buffer 是用户空间的数据缓冲区，ppos 是文件中进行操作的偏移量，类型为 64 位数。

• 由于用户空间和内核空间的内存映射方式完全不同，所以不能使用象 memcpy 之类的函数，
  必须使用如下函数：

  unsigned long copy_to_user (void *to,const void *from,unsigned long count);
  unsigned long copy_from_user(void *to,const void *from,unsigned long count);

ioctl方法

• ioctl 方法主要用于对设备进行读写之外的其他控制，比如配置设备、进入或退出某种
  操作模式，这些操作一般都无法通过 read/write 文件操作来完成。

编写中断处理函数的注意事项：

• 中断处理程序与普通C代码没有太大不同，不同的是中断处理程序在中断期间运行，它有如下限制：

  不能向用户空间发送或接受数据
  不能执行有睡眠操作的函数
  不能调用调度函数

使用/proc文件系统

• /proc 文件系统是由程序创建的文件系统，内核利用它向外输出信息。/proc 目录下的
  每一个文件都被绑定到一个内核函数，这个函数在此文件被读取时，动态地生成文件的内
  容。
• 大多数情况下 proc 目录下的文件是只读的。使用/proc 的模块必须包 含
  头文件

2.编译驱动模块及测试程序

• 上面介绍了在 Makefile 中有两种编译方法，可以在本机上使用 gcc 也可以使用交叉编译器进行编译，这里我们只介绍用交叉编译器进行编译的结果。

• 注意：如果编译的时候出现问题，可能是在/usr/src 下没有建立一个 linux 连接，可以使用下面的命令：

  [root@zxt 01_demo]# cd /usr/src/
  [root@zxt src]# ln –sf   linux-2.4.20-8  linux
  [root@zxt src]# ls
  debug  linux  linux-2.4  linux-2.4.20-8  redha

• 附：
  - ln指令的用法是连接，使用格式是ln [options] source dist，这里我们用到的sf参数的含义是：

  -f：链接时先将与dist同档名的档案删除
  
  -s：进行软链接。（软链接，又称符号链接，这个文件包含了另一个文件的路径名，特点是可以链接不同文件系统的文件，甚至可以链接不存在的文件。）

• 

3.测试驱动程序

(1)建立设备节点

如果使用 gcc 编译的话，需要通过下面的命令来建立设备节点，如果使用交叉编译器的话，不需要建立设备节点。

#mknod /dev/demo c 254 0

(2)插入驱动模块demo.o

可以用 lsmod 命令来查看模块是否已经被插入，在不使用该模块的时候还可以用 rmmod 命令来将模块卸载。

    [root@zxt 01_demo]# insmod demo.o
    Warning: loading demo.o will taint the kernel: no license
    See http://www.tux.org/lkml/#export-tainted for information about tainted modules
    Module demo loaded, with warnings

(3)使用测试程序进行测试

- 成功后会出现下面的结果：

如果模块没有成功插入的话，会出现下面的情况：
[root@zxt 01_demo]# ./test_demo
####DEMO  device open fail####  

(4)测试读过程

在驱动模块成功插入后，会在/dev 下面建立一个叫做 demo 的设备文件，我们也可以使用 cat 命令来直接调用 read 函数，来测试读过程。
    [root@zxt demo]# cat /dev/demo/0
    device open success!

二、遇到的问题

1.需要修改makefile

makefile中两行宏变量定义用于使用armv4l-unknown-linux-gcc编译器编译驱动：

#KERNELDIR = /arm2410cl/ kernel/linux-2.4.18-2410cl/
#CROSS_COMPILE= armv4l-unknown-linux-

由于makefile文件中KERNEL_PATH设置和真实环境有点不同，修改makefile文件中的路径就好了。

修改后：

KERNELDIR = /usr/src/linux
#KERNELDIR = /arm2410cl/ kernel/linux-2.4.18-2410cl/
INCLUDEDIR = $(KERNELDIR)/include
#CROSS_COMPILE=armv41-unknown-linux-

编译通过：

三、实验体会

　　这次实验我们尝试了很多遍。一开始配置环境时一帆风顺让我们小小的得意了一下。但是后面当我们好不容易可以编译驱动又怎么也make不出来。在多方研究下，我们发现makefile有问题，与实验书中不同。于是我们俩人配合，将makefile用按照实验书中一个个修改了路径。才使得编译成功。之后，我们用gcc测试，又发现没有建立节点。建立好节点之后，insmod一下才终于可以运行。这一次实验，出现问题以后，我们没有互相埋怨，而是不断努力寻找问题原因，询问同学。在改makefile时也体现了团队合作的默契度。最终成功完成了实验四的内容。