Linux串口上網(wǎng)的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)

[root@localhost test]insmod ed_device.o，[root@localhost test]ifconfig ed0 192.168.5.1 up

[root@localhost test]ifconfig ed0 down[root@localhost test]rmmod ed_device

[root@localhost test]# telnet 192.168.5.2Trying 192.168.5.2...Connected to 192.168.5.2 (192.168.5.2).Escape character is '^]'.Red Hat Linux release 9 (Shrike)Kernel 2.4.20-8 on an i686login:
編寫字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序
用戶空間的進(jìn)程主要通過(guò)兩種方式和內(nèi)核空間模塊打交道，一種是使用proc文件系統(tǒng)，另一種是使用字符設(shè)備。本文所描述的兩個(gè)字符設(shè)備sending device 和receiving device事實(shí)上是內(nèi)核空間和用戶空間交換數(shù)據(jù)的緩存區(qū)，編寫字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是編寫用戶空間讀寫字符設(shè)備所需要的內(nèi)核設(shè)備操作函數(shù)。 
在頭文件中，我們定義ED_REC_DEVICE為receiving device，名字是ed_rec；定義ED_TX_DEVICE為sending device，名字是ed_tx。 
#define MAJOR_NUM_REC 200#define MAJOR_NUM_TX  201#define IOCTL_SET_BUSY _IOWR(MAJOR_NUM_TX,1,int)

200和201分別代表receiving device 和 sending device的主設(shè)備號(hào)。在內(nèi)核空間，驅(qū)動(dòng)程序是根據(jù)主、次設(shè)備號(hào)識(shí)別設(shè)備的，而不是設(shè)備名；本文的字符設(shè)備的次設(shè)備號(hào)都是0，主設(shè)備號(hào)是用戶定義的且不能和系統(tǒng)已有的設(shè)備的主設(shè)備有沖突。IOCTL_SET_BUSY _IOWR(MAJOR_NUM_TX,1,int)是ioctl的操作函數(shù)定義（從用戶空間發(fā)送命令到內(nèi)核空間），主要作用是使得每次在同一時(shí)間，同一字符設(shè)備上，只可進(jìn)行一次操作。我們可以使用mknod來(lái)建立這兩個(gè)字符設(shè)備： 
[root@localhost]#mknod c 200 0 /dev/ed_rec[root@localhost]#mknod c 201 0 /dev/ed_tx

設(shè)備建立后，編譯好的模塊就可以動(dòng)態(tài)加載了：
[root@localhost]#insmod ed_device.o

為了方便對(duì)設(shè)備編程，我們還需要一個(gè)字符設(shè)備管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 
struct ed_device{int magic;char name[8]; 	int busy;unsigned char *buffer;#ifdef LINUX_24wait_queue_head_t rwait;#endifint mtu;spinlock_t lock;int data_len;int buffer_size;struct file *file;ssize_t (*kernel_write)(const char *buffer,size_t length,int buffer_size);};

這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是用來(lái)保存字符設(shè)備的一些基本狀態(tài)信息。ssize_t (*kernel_write)(const char *buffer,size_t length,int buffer_size) 是一個(gè)指向函數(shù)的指針，它的作用是為偽網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序提供寫字符設(shè)備數(shù)據(jù)的系統(tǒng)調(diào)用接口。magic字段主要是標(biāo)志設(shè)備類型號(hào)的，這里沒(méi)有別的特殊意義；busy字段用來(lái)說(shuō)明字符設(shè)備是否是處于忙狀態(tài)，buffer指向內(nèi)核緩存區(qū)，用來(lái)存放讀寫數(shù)據(jù)；mtu保存當(dāng)前可發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包最大傳輸單位，以字節(jié)為單位；lock的類型是自旋鎖類型spinlock_t，它實(shí)際以一個(gè)整數(shù)域作為鎖，在同一時(shí)刻對(duì)同一字符設(shè)備，只能有一個(gè)操作，所以使用內(nèi)核鎖機(jī)制保護(hù)防止數(shù)據(jù)污染；data_len是當(dāng)前緩存區(qū)內(nèi)保存的數(shù)據(jù)實(shí)際大小，以字節(jié)為單位；file是指向設(shè)備文件結(jié)構(gòu)struct file的一個(gè)指針，其作用主要是定位設(shè)備的私有數(shù)據(jù) file-> private_data。定義字符設(shè)備struct ed_device ed[2]，其中ed[ED_REC_DEVICE]就是receving device，ed[ED_TX_DEVICE]就是sending device。如果sending device ED_TX_DEVICE沒(méi)有數(shù)據(jù)，用戶空間的read調(diào)用將被阻塞，并把進(jìn)程信息放于rwait隊(duì)列中。當(dāng)有數(shù)據(jù)的時(shí)候，kernel_write()中的wake_up_interruptible()將喚醒等待進(jìn)程。kernel_write()函數(shù)定義如下： 
ssize_t kernel_write(const char *buffer,size_t length,int buffer_size){if(length > buffer_size )length = buffer_size;memset(ed[ED_TX_DEVICE].buffer,0,buffer_size);memcpy(ed[ED_TX_DEVICE].buffer,buffer,buffer_size);ed[ED_TX_DEVICE].tx_len = length;#ifdef LINUX_24wake_up_interruptible(ed[ED_TX_DEVICE].rwait);	#endif   return length;}

字符設(shè)備的操作及其相關(guān)函數(shù)調(diào)用過(guò)程如圖3 所示。 

圖 3

當(dāng)ed_device模塊被加載的時(shí)候，eddev_module_init()調(diào)用register_chrdev()內(nèi)核API注冊(cè)ed_tx和ed_rec兩個(gè)字符設(shè)備。這個(gè)函數(shù)定義在linux/fs.h>： 
int register_chdev(unsigned int major, const char *, struct fle_operations *fops)

字符設(shè)備被注冊(cè)成功后，內(nèi)核把這兩個(gè)字符設(shè)備加入到內(nèi)核字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)表中。內(nèi)核字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)表保留指向struct file_operations的一個(gè)數(shù)據(jù)指針。用戶進(jìn)程調(diào)用設(shè)備讀寫操作時(shí)，通過(guò)這個(gè)指針訪問(wèn)設(shè)備的操作函數(shù)， struct file_operations中的域大部分是指向函數(shù)的函數(shù)指針，指向用戶自己編寫的設(shè)備操作函數(shù)。 
struct file_operations ed_ops ={#ifdef LINUX_24NULL,#endifNULL,device_read,device_write,NULL,NULL,device_ioctl,NULL,device_open,NULL,device_release,    	};

注意到Linux2.4.x和Linux2.2.x內(nèi)核中定義的struct file_operations是不一樣的。device_read()、device_write()、device_ioctl()、device_open()、device_release()就是需要用戶自己定義的函數(shù)操作了，這幾個(gè)函數(shù)是最基本的操作，如果需要設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成更復(fù)雜的任務(wù)，還必須編寫其他struct file_operations中定義的操作。eddev_module_init()除了注冊(cè)設(shè)備及其操作外，它還有初始化字符設(shè)備結(jié)構(gòu)struct ed_device，分配內(nèi)核緩存區(qū)所需要的空間的作用。在內(nèi)核空間，分配內(nèi)存空間的API函數(shù)是kmalloc()。 
下面介紹一下字符設(shè)備的主要操作例程device_open()、device_release()、device_read()、devie_write()。字符設(shè)備文件操作結(jié)構(gòu)ed_ops中定義的指向以上函數(shù)的函數(shù)指針的原形： 
	 device_open:  int(*open)(struct inode *,struct file *)     device_release: int (*release) (struct inode *, struct file *);device_read:  ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);device_write: ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);

操作int device_open(struct inode *inode,struct file *file)是設(shè)備節(jié)點(diǎn)上的第一個(gè)操作，如果多個(gè)設(shè)備共享這一個(gè)操作函數(shù)，必須區(qū)分設(shè)備的設(shè)備號(hào)。我們使用inode->i_rdev >> 8 語(yǔ)句獲得設(shè)備的主設(shè)備號(hào)，本文中的接收設(shè)備主設(shè)備號(hào)是200，發(fā)送設(shè)備號(hào)是201。每個(gè)字符設(shè)備的file>private_data指向打開設(shè)備時(shí)候使用的file結(jié)構(gòu)，private_data實(shí)際上可以指向用戶定義的任何結(jié)構(gòu)，這里只指向我們自己定義的struct ed_device，用來(lái)保存字符設(shè)備的一些基本信息，比如設(shè)備名、內(nèi)核緩存區(qū)等。 
操作ssize_t device_read(struct file *file,char *buffer,size_t length, loff_t *offset)是讀取設(shè)備數(shù)據(jù)的操作。device_read()結(jié)構(gòu)如圖4所示。 

圖4

從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)（用戶空間調(diào)用read()系統(tǒng)調(diào)用）的時(shí)候，需要從內(nèi)核空間把數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間，copy_to_user()可完成此功能，它和memcpy()此類函數(shù)有本質(zhì)的區(qū)別，memcpy()不能完成不同用戶空間數(shù)據(jù)的交換。如果需要數(shù)據(jù)臨界區(qū)的保護(hù)，使用spin_lock()內(nèi)核API負(fù)責(zé)加鎖，spin_unlock()負(fù)責(zé)解鎖，防止數(shù)據(jù)污染。由于串口守候進(jìn)程server需要不斷輪詢?cè)O(shè)備，以查詢是否有數(shù)據(jù)可讀，如果用戶進(jìn)程不處于休眠狀態(tài)，在用戶空間查看進(jìn)程使用資源情況，發(fā)現(xiàn)server占用了很多CPU資源。所以我們改進(jìn)device_read()，使之在內(nèi)核中輪詢，當(dāng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前設(shè)備沒(méi)有數(shù)據(jù)可讀取，那么就阻塞用戶進(jìn)程，使用內(nèi)核API add_wait_queue()可完成此功能，這時(shí)候用戶進(jìn)程并沒(méi)有占用很多CPU資源，而是處于休眠狀態(tài)。當(dāng)內(nèi)核發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)可讀的時(shí)候，調(diào)用remove_wait_queue()即可喚醒等待進(jìn)程，這段 
代碼如下： 
    DECLARE_WAITQUEUE(wait,current);add_wait_queue(edp->rwait,wait);for(;;){        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);if ( file->f_flags  O_NONBLOCK)break;/*其他代碼 */if ( signal_pending(current))break;schedule();}set_current_state(TASK_RUNNING);remove_wait_queue(edp->rwait,wait);

操作ssize_t device_write(struct file *file,const char *buffer, size_t length,loff_t *offset)向設(shè)備寫入數(shù)據(jù)?？截悢?shù)據(jù)的copy_from_user()和copy_to_user()的功能恰恰相反，它是從用戶空間拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間，如圖5所示。 

圖 5

struct ednet_priv {#ifdef LINUX_24struct net_device_stats stats;#elsestruct enet_statistics stats;#endifstruct sk_buff *skb;spinlock_t lock;};

#ifdef LINUX_24struct net_device ednet_dev;#elsestruct device ednet_dev;#endif

int ednet_module_init(void){int err;strcpy(ednet_dev.name, "ed0");ednet_dev.init = ednet_init;if ( (err = register_netdev(ednet_dev)) )printk("ednet: error %i registering pseudo network device "%s"",err, ednet_dev.name);return err;}

[root@localhost pku]# /sbin/ifconfiged0       Link encap:Ethernet  HWaddr 00:45:44:30:30:30inet addr:192.168.3.9  Bcast:192.168.3.255  Mask:255.255.255.0UP BROADCAST RUNNING NOARP MULTICAST  MTU:1500  Metric:1RX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0TX packets:0 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0collisions:0 txqueuelen:100RX bytes:0 (0.0 b)  TX bytes:0 (0.0 b)

eth1      Link encap:Ethernet  HWaddr 50:78:4C:43:1D:01inet addr:192.168.21.202  Bcast:192.168.21.255  Mask:255.255.255.0UP BROADCAST RUNNING MULTICAST  MTU:1500  Metric:1RX packets:356523 errors:0 dropped:0 overruns:0 frame:0TX packets:266 errors:0 dropped:0 overruns:0 carrier:0collisions:0 txqueuelen:100RX bytes:21542043 (20.5 Mb)  TX bytes:19510 (19.0 Kb)Interrupt:11 Base address:0xa000

#ifdef LINUX_24int ednet_init(struct net_device *dev)#elseint ednet_init(struct device *dev)#endif{  ether_setup(dev); dev->open            = ednet_open;dev->stop            = ednet_release;dev->hard_start_xmit   = ednet_tx;dev->get_stats         = ednet_stats;dev->change_mtu      = ednet_change_mtu;  #ifdef LINUX_24dev->hard_header      = ednet_header;#endifdev->rebuild_header    = ednet_rebuild_header;#ifdef LINUX_24dev->tx_timeout        = ednet_tx_timeout;dev->watchdog_timeo   = timeout;#endif/* We do not need the ARP protocol. */dev->flags           |= IFF_NOARP;#ifndef LINUX_20                        dev->hard_header_cache = NULL;      #endif #ifdef LINUX_24                                 SET_MODULE_OWNER(dev);#endifdev->priv = kmalloc(sizeof(struct ednet_priv), GFP_KERNEL);if (dev->priv == NULL)return -ENOMEM;memset(dev->priv, 0, sizeof(struct ednet_priv));spin_lock_init( ((struct ednet_priv *) dev->priv)->lock);return 0;}

ednet_open：   int  (*open)(struct net_device *dev);ednet_release：  int  (*stop)(struct net_device *dev);ednet_tx：     int  (*hard_start_xmit) (struct sk_buff *skb,struct net_device *dev);ednet_stats：   struct net_device_stats* (*get_stats)(struct net_device *dev);ednet_change_mtu：int	(*change_mtu)(struct net_device *dev, int new_mtu);ednet_header：  int  (*hard_header) (struct sk_buff *skb,struct net_device *dev,unsigned short type,void *daddr,void *saddr,unsigned len);

#define END              0300#define ESC              0333#define ESC_END         0334            #define ESC_ESC         0335 

fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY );

c_cflag  ： 控制選項(xiàng)c_lflag  ： 線選項(xiàng)c_iflag  ： 輸入選項(xiàng)c_oflag  ：輸出選項(xiàng)c_cc    ：控制字符c_ispeed ：輸入數(shù)據(jù)波特率c_ospeed ：輸出數(shù)據(jù)波特率

c_cflag： CLOCAL 本地模式，不改變端口的所有者CREAD  表示使能數(shù)據(jù)接收器PARENB  表示偶校驗(yàn)PARODD 表示奇校驗(yàn)CSTOPB  使用兩個(gè)停止位CSIZE    對(duì)數(shù)據(jù)的bit使用掩碼CS8      數(shù)據(jù)寬度是8bitc_lflag：  ICANON 使能規(guī)范輸入，否則使用原始數(shù)據(jù)（本文使用）ECHO    回送(echo)輸入數(shù)據(jù)ECHOE   回送擦除字符ISIG      使能SIGINTR，SIGSUSP， SIGDSUSP和 SIGQUIT 信號(hào)c_iflag：  IXON     使能輸出軟件控制IXOFF    使能輸入軟件控制IXANY    允許任何字符再次開啟數(shù)據(jù)流INLCR    把字符NL(0A)映射到CR(0D)IGNCR    忽略字符CR(0D)ICRNL    把CR(0D)映射成字符NR(0A)c_oflag： OPOST  輸出后處理，如果不設(shè)置表示原始數(shù)據(jù)（本文使用原始數(shù)據(jù)） c_cc[VMIN]：  最少可讀數(shù)據(jù)c_cc[VTIME]： 等待數(shù)據(jù)時(shí)間(10秒的倍數(shù))

int setup_com(int fd){struct termios options; tcgetattr(fd, options);/* Set the baud rates to 38400...*/cfsetispeed(options, B38400);cfsetospeed(options, B38400);/* Enable the receiver and set local mode...*/options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);/* Set c_cflag options.*/options.c_cflag |= PARENB;options.c_cflag = ~PARODD;options.c_cflag = ~CSTOPB;options.c_cflag = ~CSIZE;options.c_cflag |= CS8;    /* Set c_iflag input options */options.c_iflag =~(IXON | IXOFF | IXANY);options.c_iflag =~(INLCR | IGNCR | ICRNL);options.c_lflag = ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);/* Set c_oflag output options */options.c_oflag = ~OPOST;   /* Set the timeout options */options.c_cc[VMIN]  = 0;options.c_cc[VTIME] = 10;tcsetattr(fd, TCSANOW, options);return 1;}