基于Linux内核的嵌入式串口通讯程序设计

4. 串口网络通讯具体开发与实现

用户空间的进程主要通过两种方式和内核空间模块打交道，一种是使用proc文件系统，另一种是使用字符设备。本文所描述的两个字符设备sending device和receiving device事实上是内核空间和用户空间交换数据的缓存区，编写字符设备驱动实际上就是编写用户空间读写字符设备所需要的内核设备操作函数^[15]。

为了方便对设备编程，我们还需要一个字符设备管理的数据结构，这个数据结构是用来保存字符设备的一些基本状态信息。ssize_t是一个指向函数的指针，它的作用是为伪网络驱动程序提供写字符设备数据的系统调用接口。magic字段主要是标志设备类型号的，这里没有别的特殊意义；busy字段用来说明字符设备是否是处于忙状态，buffer指向内核缓存区，用来存放读写数据；mtu保存当前可发送的网络数据包最大传输单位，以字节为单位；lock的类型是自旋锁类型spinlock_t，它实际以一个整数域作为锁，在同一时刻对同一字符设备，只能有一个操作，所以使用内核锁机制保护防止数据污染；data_len是当前缓存区内保存的数据实际大小，以字节为单位；file是指向设备文件结构struct file的一个指针，其作用主要是定位设备的私有数据file-> private_data。定义字符设备struct ed_device ed[2]，其中有一个定义ed[ED_REC_DEVICE]就是前面的receving device，ed[ED_TX_DEVICE]就是相对应的sending device。如果sending device ED_TX_DEVICE没有数据，用户空间的read调用将被阻塞，并把进程信息放于rwait队列中。当有数据的时候，kernel_write()中的wake_up_interruptible()将唤醒等待进程。

字符设备的操作及其相关函数调用过程如图4.1所示。

 

当ed_device模块被加载的时候，eddev_module_init()调用register_chrdev()内核API注册ed_tx和ed_rec两个字符设备。这个函数定义在<linux/fs.h>。

字符设备被注册成功后，内核把这两个字符设备加入到内核字符设备驱动表中。内核字符设备驱动表保留指向struct file_operations的一个数据指针。用户进程在调用设备读写操作时，无需自动添加进程，通过这个指针访问设备的操作函数，struct file_operations中的域大部分是指向函数的函数指针，指向用户自己编写的设备操作函数。

注意到Linux2.4.x和Linux2.2.x内核中定义的struct file_operations是不一样的。device_read()、device_write()、device_ioctl()、 device_open()、device_release()就是需要用户自己定义的函数操作了，这几个函数是最基本的操作，如果需要设备驱动程序完成更复杂的任务，还必须编写其他struct file_operations中定义的操作。eddev_module_init()除了注册设备及其操作外，它还有初始化字符设备结构struct ed_device，分配内核缓存区所需要的空间的作用。在内核空间，分配内存空间的API函数是kmalloc()。

下面介绍一下字符设备的主要操作例程device_open()、device_release()、device_read()、devie_write()。字符设备文件操作结构ed_ops中定义的指向以上函数的函数指针的原形。

操作int device_open(struct inode *inode,struct file *file)是设备节点上的第一个操作，如果多个设备共享这一个操作函数，必须区分设备的设备号。我们使用inode->i_rdev>>8语句获得设备的主设备号，本文中的接收设备主设备号是200，发送设备号是201。每个字符设备的file>private_data指向打开设备时候使用的file结构，private_data实际上可以指向用户定义的任何结构，这里只指向我们自己定义的struct ed_device，用来保存字符设备的一些基本信息，比如设备名、内核缓存区等。

操作ssize_t device_read(struct file *file,char *buffer,size_t length,loff_t *offset)是读取设备数据的操作。

从设备中读取数据（用户空间调用read()系统调用）的时候，需要从内核空间把数据拷贝到用户空间，copy_to_user()可完成此功能，它和memcpy()此类函数有本质的区别，memcpy()不能完成不同用户空间数据的交换。如果需要数据临界区的保护，使用spin_lock()内核 API负责加锁，spin_unlock()负责解锁，防止数据污染。由于串口守候进程server需要不断轮询设备，以查询是否有数据可读，如果用户进程不处于休眠状态，在用户空间查看进程使用资源情况，发现server占用了很多CPU资源。所以我们改进device_read()，使之在内核中轮询，当发现当前设备没有数据可读取，那么就阻塞用户进程，使用内核API add_wait_queue()可完成此功能，这时候用户进程并没有占用很多CPU资源，而是处于休眠状态。当内核发现有数据可读的时候，调用remove_wait_queue()即可唤醒等待进程。

操作ssize_t device_write(struct file *file,const char *buffer,size_t length,loff_t *offset)向设备写入数据。拷贝数据的copy_from_user()和copy_to_user()的功能恰恰相反，它是从用户空间拷贝数据到内核空间^[16]。

伪网络驱动程序和字符设备驱动程序一样，也必须初始化和注册。网络驱动需记录其发送和接收数据量的统计信息，所以我们定义一个记录这些信息的数据结构。

Struct ednet_priv只有3个数据成员。Linux2.4.x 使用的网络数据状态统计结构是struct net_device_stats，而Linux 2.2.x则使用的是struct enet_statistics。同样，对控制网络接口设备的设备结构也有不同的定义：Linux2.4.x使用的是struct net_device，而Linux2.2.x却是struct device。