第14章 內(nèi)核空間與用戶空間數(shù)據(jù)交互實(shí)驗(yàn)

在“第12章 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架實(shí)驗(yàn)”中，已經(jīng)對file_operations結(jié)構(gòu)體的進(jìn)行了填充，該結(jié)構(gòu)體的每一個(gè)成員都對應(yīng)著一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，例如read、write等，在對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，只是對調(diào)用函數(shù)進(jìn)行了標(biāo)志打印，并沒有真正實(shí)現(xiàn)設(shè)備的讀寫功能，而在本章節(jié)將對內(nèi)核空間與用戶空間的數(shù)據(jù)交換功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

14.1 內(nèi)核空間與用戶空間

Linux系統(tǒng)將可訪問的內(nèi)存空間分為了兩個(gè)部分，一部分是內(nèi)核空間，一部分是用戶空間。操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行在內(nèi)核空間（內(nèi)核態(tài)），應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶空間（用戶態(tài)）。

那么為什么要區(qū)分用戶空間和內(nèi)核空間呢？

（1）內(nèi)核空間中的代碼控制了硬件資源，用戶空間中的代碼只能通過內(nèi)核暴露的系統(tǒng)調(diào)用接口來使用系統(tǒng)中的硬件資源，這樣的設(shè)計(jì)可以保證操作系統(tǒng)自身的安全性和穩(wěn)定性。

（2）從另一方面來說，內(nèi)核空間的代碼更偏向于系統(tǒng)管理，而用戶空間中的代碼更偏重業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)，倆者的分工不同。

硬件資源管理都是在內(nèi)核空間完成的，應(yīng)用程序無法直接對硬件進(jìn)行操作，只能通過調(diào)用相應(yīng)的內(nèi)核接口來完成相應(yīng)的操作。比如應(yīng)用程序要對磁盤上的一個(gè)文件進(jìn)行讀取，應(yīng)用程序可以向內(nèi)核發(fā)起一個(gè)“系統(tǒng)調(diào)用”申請——我要讀取磁盤上的文件。這個(gè)過程其實(shí)是通過一個(gè)特殊的指令讓進(jìn)程從用戶態(tài)進(jìn)入到了內(nèi)核態(tài)。在內(nèi)核空間中，CPU可以執(zhí)行任何命令，包括從磁盤上讀取數(shù)據(jù)，具體過程是先把數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)核空間中，然后再把數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間并從內(nèi)核態(tài)切換到用戶態(tài)。此時(shí)應(yīng)用程序已經(jīng)從系統(tǒng)調(diào)用中返回并拿到了想要的數(shù)據(jù)，可以繼續(xù)往下執(zhí)行了。

進(jìn)程只有從用戶空間切換到內(nèi)核空間才可以使用系統(tǒng)的硬件資源，切換的方式有三種：系統(tǒng)調(diào)用，軟中斷，硬中斷，如下圖（圖 14-1）所示：

14.2 用戶空間和內(nèi)核空間數(shù)據(jù)交換

內(nèi)核空間和用戶空間的內(nèi)存是不能互相訪問的。但是很多應(yīng)用程序都需要和內(nèi)核進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，例如應(yīng)用程序使用read函數(shù)從驅(qū)動(dòng)中讀取數(shù)據(jù)，使用write函數(shù)向驅(qū)動(dòng)中寫數(shù)據(jù)，上述功能就需要使用copy_from_user和copy_to_user倆個(gè)函數(shù)來完成。copy_from_user函數(shù)是將用戶空間的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核空間。copy_to_user函數(shù)是將內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間。

這倆個(gè)函數(shù)定義在了kernel/include/linux/uaccess.h文件下，如下所示：

copy_to_user

函數(shù)原型：

unsigned long copy_to_user_inatomic(void __user *to, const void

*from, unsigned long n);

函數(shù)作用：

把內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶空間。

參數(shù)含義：

*to是用戶空間的指針

*from是內(nèi)核空間的指針

n是從內(nèi)核空間向用戶空間拷貝的字節(jié)數(shù)

copy_from_user

函數(shù)原型：

unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from,

unsigned long n)

函數(shù)作用：

把用戶空間的數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)核空間。

參數(shù)含義：

*to是內(nèi)核空間的指針

*from是用戶空間的指針

n是從用戶空間向內(nèi)核空間拷貝的字節(jié)數(shù)

14.3 實(shí)驗(yàn)程序編寫

14.3.1 驅(qū)動(dòng)程序編寫

本驅(qū)動(dòng)程序?qū)?yīng)的網(wǎng)盤路徑為：iTOP-RK3568開發(fā)板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568開發(fā)板】指南教程\02_Linux驅(qū)動(dòng)配套資料\04_Linux驅(qū)動(dòng)例程\09\module。

在該實(shí)驗(yàn)中將實(shí)現(xiàn)內(nèi)核空間和用戶空間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的功能。以12章編寫的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)編寫驅(qū)動(dòng)程序，程序使用copy_to_user函數(shù)和copy_from_user函數(shù)來實(shí)現(xiàn)內(nèi)核空間和用戶空間互傳數(shù)據(jù)的功能，編寫完成的file.c代碼如下所示：

以上代碼在cdev_test_read函數(shù)中使用copy_to_user函數(shù)將內(nèi)核數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間，在cdev_test_write函數(shù)中使用copy_from_user函數(shù)將用戶空間數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核空間。

14.3.2 編寫測試 APP

本應(yīng)用程序?qū)?yīng)的網(wǎng)盤路徑為：iTOP-RK3568開發(fā)板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568開發(fā)板】指南教程\02_Linux驅(qū)動(dòng)配套資料\04_Linux驅(qū)動(dòng)例程\09\app。

編寫測試APP其實(shí)是在編寫Linux應(yīng)用，編譯完成的應(yīng)用程序app.c代碼如下所示：

14.4 運(yùn)行測試

14.4.1 編譯驅(qū)動(dòng)程序

在上一小節(jié)中的file.c代碼同一目錄下創(chuàng)建 Makefile 文件，Makefile 文件內(nèi)容如下 所示：

對于Makefile的內(nèi)容注釋已在上圖添加，保存退出之后，來到存放file.c和Makefile文件目錄下，如下圖（圖14-2）所示：

然后使用命令“make”進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的編譯，編譯完成如下圖（圖14-3）所示：

編譯完生成 file.ko目標(biāo)文件，如下圖（圖 14-4）所示：

至此我們的驅(qū)動(dòng)模塊就編譯成功了，下面進(jìn)行應(yīng)用程序編譯.

下面進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序的測試。

輸入以下命令運(yùn)行應(yīng)用程序，如下圖（圖 14-7）所示

由上圖可知，打印“This is cdev_test_open”信息說明成功打開了字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

打印“ This is cdev_test_read”和“buf1 is This is cdev_test_read!”說明應(yīng)用程序成功讀取到內(nèi)核的數(shù)據(jù)。

打印“This is cdev_test_write”和“kbuf is nihao”說明應(yīng)用程序向內(nèi)核寫數(shù)據(jù)成功。

最后打印“This is cdev_test_release”說明卸載字符設(shè)備。

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