Linux应用层与内核驱动层3种交互方式

本文主要是总结出应用层与内核驱动层的主要交互方式，并提供示例代码分析交互过程。但不涉及更细节的内核代码的分析。
应用层与内核驱动层交互的方式多种多样，这里只写出了我目前理解到的3种方式，至于其它等以后再做整理。

应用与驱动3种方式

所谓的应用与驱动层的交互主要是数据的传递，这里主要是使用内核提供给应用层的API接口，从而实现应用与驱动数据传递。应用层操作硬件设备也是通过内核层提供的API接口或文件设备提供的操作接口来实现调用驱动来操作硬件设备。

总结来是应用层与驱动层数据相互传递，或应用层通过驱动提供的方法来操作硬件从而来实现对硬件的操作。

通过系统调用open(), read(), write()等方式实现对驱动层的交互，获取驱动层数据或调用方法操作硬件。
通过IOCTL CMD命令方式与内核驱动层交互，从而获取驱动层数据或调用驱动层方法来操作硬件。
通过mmap方式来实现应用层与内核共享内存来传递数据。这种方式优点是速度快，且可以数据大块的数据量。

不管理在应用层，还是在系统NFS层，或是在内核驱动层。他们之所以能访问到同驱动/设备提供的数据或方法。主是应该LINUX内核的设备文件描述符的作用。通过为每一个设备分配固定的主，次设备号从而绑定设备与驱动。并在驱动中把操作的接口暴露给系统或应该。这样不管是在应用打开的file类型指针，或是系统层打开的inode节点信息，或驱动中的设备类型中都包含某一个设备共同信息（主、次设备号， file operation操作方法）这些都是与设备绑定好的。无论在哪个层都是相同。所以在各层能通过不同的方式访问到相同的驱动或说操作同一设备。

系统调用的方式，通过设备文件描述符找到设备主次设备号，从而找到设备并调用设备的驱动方法及传递数据。

查看/dev目录下的某个设备文件获取的主、次设备号，由驱动向内核申请或定义固定数值

crw------- 1 root root 238, 0  1月  5 09:03 /dev/demo_dev

第二、三种方式主是通过驱动提供的file operation结构体实现，结构体具体项如下

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(*aio_read) (struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t);ssize_t(*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t(*aio_write) (struct kiocb *, const char __user *, size_t, loff_t);int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int,unsigned long);int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);int (*open) (struct inode *, struct file *);int (*flush) (struct file *);int (*release) (struct inode *, struct file *);int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, 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(*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,loff_t *);ssize_t(*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,loff_t *);ssize_t(*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t,void __user *);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);};

以后是第二种、第三种交互方式的接口

 ssize_t(*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t(*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);　int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

直接上代码，这里IOCTL传递的数据是结构体

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/i2c.h>
#include <linux/ioctl.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/unistd.h>
#include <asm/ioctl.h>
#include <linux/ioctl.h>
#include <linux/mman.h>
#include <linux/fb.h>
#include <linux/mm.h>typedef struct mdata{int dev_major;short data;
} data_t;#define DEMO_NAME "demo_dev"
//定义命令及传递的数据
#define DEMO_OPEN   _IOW('d', 1, struct mdata)
#define DEMO_CLOSE  _IOW('d', 2, struct mdata)
#define DEMO_MMAP   _IOW('d', 3, struct mdata)struct demo_dev{int major;int minor;int data;void* private;char* name;struct device* dev;struct class* cls;
};static void* demo_mem;
struct demo_dev* ddev;static int demo_open(struct inode* inode, struct file* file)
{printk("<-KERNEL->-----Demo open-----");demo_mem = kzalloc(PAGE_SIZE, GFP_KERNEL);if(!demo_mem)return -ENOMEM;return 0;
}static ssize_t demo_write(struct file* file, const char __user* buf, size_t count, loff_t* ppos)
{struct mdata md;copy_from_user(&md, buf, sizeof(struct mdata));printk("<-KERNEL->----From user major:%d, data:%d-----", md.dev_major, md.data);return 0;
}static ssize_t demo_read(struct file* file, char __user* buf, size_t count, loff_t* ppos)
{struct mdata md = {.dev_major = 120,.data = 119,};copy_to_user(buf, &md, sizeof(struct mdata));printk("<-KERNEL->-----To user major:%d, data:%d -----", md.dev_major, md.data);return 0;
}static long int demo_device_ioctl(struct file* file, unsigned int cmd, unsigned long int arg)
{struct mdata mydata;struct mdata* dd;copy_from_user(&mydata, (struct mdata*)arg, sizeof(struct mdata));switch(cmd){case DEMO_OPEN:printk("<-KERNEL-> ioctl DEMO_OPEN from user major:%d, data:%d\n", mydata.dev_major, mydata.data); break;case DEMO_CLOSE:printk("<-KERNEL-> ioctl DEMO_CLOSE from user major:%d, data:%d\n", mydata.dev_major, mydata.data); break;case DEMO_MMAP:dd = (struct mdata*)demo_mem;printk("<-KERNEL-> ioctl DEMO_MMAP from user major:%d, data:%d\n", dd->dev_major, dd->data); break;default:break;}return 0;
}static int demo_mmap(struct file* filp, struct vm_area_struct* vma)
{if(remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, virt_to_phys(demo_mem) >> PAGE_SHIFT, vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot))return -EAGAIN;printk("<----------KERNEL mmap Ok------------>");return 0;
}static int demo_release(struct inode* inode, struct file* file)
{printk("-----demo release -----");return 0;
}static const struct file_operations ddev_fops = {.open = demo_open,.write = demo_write,.read = demo_read,.unlocked_ioctl = demo_device_ioctl,.release = demo_release,.mmap = demo_mmap,
};static int __init demo_init(void)
{printk("<-KERNEL-> Demo init ----\n");ddev = kzalloc(sizeof(*ddev), GFP_KERNEL);if(!ddev)return -ENOMEM;ddev->name = DEMO_NAME;ddev->major = register_chrdev(0, ddev->name, &ddev_fops);ddev->cls = class_create(THIS_MODULE, DEMO_NAME);if(IS_ERR(&ddev->cls)){pr_err("Demo: device class create failed\n");goto err_class_create;}ddev->dev = device_create(ddev->cls, NULL, MKDEV(ddev->major, 0), NULL, DEMO_NAME);if(IS_ERR(&ddev->dev)){pr_err("Demo: create device failed@@\n");goto err_device_create;}return 0;err_device_create:class_destroy(ddev->cls);
err_class_create:unregister_chrdev(ddev->major, DEMO_NAME);kfree(ddev);return -EFAULT;
}static void __exit demo_exit(void)
{printk("<-KERNEL-> Demo exit ----!@! \n");device_destroy(ddev->cls, MKDEV(ddev->major, 0));class_destroy(ddev->cls);unregister_chrdev(ddev->major, DEMO_NAME);kfree(ddev);
}module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);MODULE_AUTHOR("Jerry<jerry@xxx.com>");
MODULE_DESCRIPTION("Driver for Demo");
MODULE_LICENSE("GPL");

应用层测试代码，这里的ioctl命令其它可以通过包含同一个头件来共用，这样就不需要在程序中重新定义。因为是自己测试为了理解命令以方便测试，这里重新在代码里自己定义了命令及数据。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/mman.h>typedef struct mdata{int dev_major;short data;
} data_t;
// define ioctl cmd or include corresponding driver heard file.
#define DEMO_OPEN _IOW('d', 1, struct mdata)
#define DEMO_CLOSE _IOW('d', 2, struct mdata)
#define DEMO_MMAP  _IOW('d', 3, struct mdata)struct mdata* demo_map;int main(int argc, char** argv)
{int fd = -1, ret = -1;struct mdata mybuf;struct mdata mydata = {.dev_major = 1314,.data = 666,};fd = open("/dev/demo_dev", O_RDWR);if(fd < 0){printf("Open demo device failed\n");return -1;}puts("<----------------------- Read and Write @@@ ------------------------------>");printf("Write to KERNEL data--> major:%d, data:%d\n", mydata.dev_major, mydata.data);if( write(fd, &mydata, sizeof(struct mdata) < 0)){printf("Demo wirte data error!!!\n");return -1;}if( read(fd, &mybuf, sizeof(struct mdata) < 0 )){printf("Demo read data error\n");return -1;}printf("Read from KERNEL data--> major:%d, data:%d\n", mybuf.dev_major, mybuf.data);puts("<----------------------- IOCTL DEMO_OPEN View kernel Mesges @@@ ------------------------------>");ioctl(fd, DEMO_OPEN, &mydata);puts("<----------------------- IOCTL MMAP @@@ ------------------------------>");demo_map = (struct mdata*)mmap(NULL, sizeof(struct mdata), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if(demo_map == NULL){printf("mmap memory failed@@!!");return -1;}demo_map->dev_major = 520;demo_map->data = 999;printf("MMAP Write to virtual memory data--> major:%d, data:%d\n", mydata.dev_major, mydata.data);ioctl(fd, DEMO_MMAP, &mydata);if(demo_map != NULL)munmap(demo_map, sizeof(struct mdata));close(fd);return 0;}

以上代码得到的执行结果

<----------------------- Read and Write @@@ ------------------------------>
Write to KERNEL data--> major:1314, data:666
# 传递给内核的数据 对应内核打印获取的数据[2] （数据正确）Read from KERNEL data--> major:120, data:119
# 从内核打印信息[3] 在应用层获取的数据 （数据正确）<----------------------- IOCTL DEMO_OPEN View kernel Mesges @@@ ------------------------------>
#对应内核打印的[4]信息 内核执行了ioctl DEMO_OPEN命令<----------------------- IOCTL MMAP @@@ ------------------------------>MMAP Write to virtual memory data--> major:1314, data:666
#应用写数据到映射的共享内存空间，在内核获取并转换成相应的数据格式并打印[6]（数据正确）dmesg | tail -10 查看内核打印信息
[1] <-KERNEL->-----Demo open-----
[2] <-KERNEL->----From user major:1314, data:666-----
[3] <-KERNEL->-----To user major:120, data:119 -----
[4] <-KERNEL-> ioctl DEMO_OPEN from user major:1314, data:666
[5] <----------KERNEL mmap Ok------------>
[6] <-KERNEL-> ioctl DEMO_MMAP from user major:520, data:999

具体的各个知识点等有时候再一一总结。比如ioctl命令的执行过程，mmap相关等内容。

其它的注意下头文件的即可，可以通过man 2 来查找相关系统函数的使用说明及包含的头文件。

注意：在mmap函数映射的内存空间，第三个参数并不是简单的内存地址，需要把地址转换成物理地址，并把内存空间转换成相应系统的页个数。如果小于PAGE_SIZE进行page页对齐的时候，由于不够一个页内存空间。因为是页对齐，所以系统会默认申请一个页内存空间，超过一个则除以页获得需要的页的个数。

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