中南大学
字符设备驱动程序
课程设计报告
姓名：王学彬
专业班级：信安1002班
学号：0909103108
课程：操作系统安全课程设计
指导老师：张士庚
一、课程设计目的1.了解Linux字符设备驱动程序的结构；
掌握Linux2.字符设备驱动程序常用结构体和操作函数的使用方法；
初步掌握Linux3.字符设备驱动程序的编写方法及过程；
掌握Linux4.字符设备驱动程序的加载方法及测试方法。
二、课程设计内容5.设计Windows XP或者Linux操作系统下的设备驱动程序;
6.掌握虚拟字符设备的设计方法和测试方法；
7.编写测试应用程序，测试对该设备的读写等操作。
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三、需求分析3.1驱动程序介绍
驱动程序负责将应用程序如读、写等操作正确无误的传递给相关的硬件，并使硬件能够做出正确反应的代码。驱动程序像一个黑盒子，它隐藏了硬件的工作细节，应用程序只需要通过一组标准化的接口实现对硬件的操作。
3.2 Linux设备驱动程序分类
Linux设备驱动程序在Linux的内核源代码中占有很大的比例，源代码的长度日益增加，主要是驱动程序的增加。虽然Linux内核的不断升级，但驱动程序的结构还是相对稳定。
Linux系统的设备分为字符设备(char device)，块设备(block device)和网络设备(network device)三种。字符设备是指在存取时没有缓存的设备，而块设备的读写都有缓存来支持，并且块设备必须能够随机存取(random access)。典型的字符设备包括鼠标，键盘，串行口等。块设备主要包括硬盘软盘设备，CD-ROM等。
网络设备在Linux里做专门的处理。Linux的网络系统主要是基于BSD unix的socket机制。在系统和驱动程序之间定义有专门的数据结构(sk_buff)进行数据传递。系统有支持对发送数据和接收数据的缓存，提供流量控制机制，提供对多协议的支持。
3.3驱动程序的结构
驱动程序的结构如图3.1所示，应用程序经过系统调用，进入核心层，内核要控制硬件需要通过驱动程序实现，驱动程序相当于内核与硬件之间的“系统调用”。
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图3.1驱动程序的结构
3.3.1 内核模块
内核模块是Linux内核的重要组成要素，内核模块能在Linux系统启动之后能够动态进行装载和卸载，因此不需对内核进行重新编译或重启系统就可将内核的一部分替换掉，Linux内核的所有设备驱动，文件系统，网络协议等可做成模块的形式来提供。在所有的模块中需记录编译的内核版本信息，并与当前执行的内核版本一致。即，模块具有版本依赖性，如果不一样就会出错，当然可以在模块程序中的include
内核模块程序与一般应用程序之间主要不同之处是，模块程序没有main()函数，模块程序在装载时调用init_module(void)函数添加到内核中，在卸载时调用void
cleanup_module( )函数从内核中卸载。另外一个应用程序从头到尾只执行一个任务，但一个模块可以把响应未来请求的事务登记到内核中，然后等待系统调用，内核模块程序结构如图3.2
所示。
ModuleKernelinsmod register_capability( )init_module( )capabilities[]printk( ). . . . .rmmod cleanup_module( )unregis ter_capability( )
图3.2内核模块程序结构
3.4主、从设备号
应用程序通过设备文件系统（devfs）的名字(或节点)访问硬件设备，所有的设备节点在/dev 目录下。利用mknod命令生成设备文件系统的节点，但只有超级用户才能生成设备文。Mknod命令必须要有设备名和设备类型，主设备号（Major Number），次设备号（Minor
Number）等3个参数。主设备号用于内核区分设备驱动，次设备号用于设备驱动区分设备。一个设备驱动可能控制多个设备。新的设备驱动要有新的主设备号。在内核源代码的Documentation/devices.txt中定义了所有设备的主设备号。在创建设备的时候不要与常用的设备好冲突。
3.5驱动程序基本框架
如果采用模块方式编写设备驱动程序时，通常至少要实现设备初始化模块、设备打开模块、数据读写与控制模块、中断处理模块（有的驱动程序没有）、设备释放模块和、设备卸载模块等几个部分。
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3.6重要结构体
打开的设备在内核内部由file结构标识，内核使用结构访问驱动程序函数。结构是一个定义在
struct
{
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
unsignedint (*poll) (struct file *, structpoll_table_struct *);
int (*ioctl) (structinode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, structvm_area_struct *);
int (*open) (structinode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *);
int (*release) (structinode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, structdentry *, intdatasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct *);
ssize_t (*readv) (struct file *, conststructiovec *, unsigned long, loff_t *);
ssize_t (*writev) (struct file *, conststructiovec *, unsigned long, loff_t *);
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);
}
四、总体设计
1．在对设备驱动的有了充分的学习后，字符设备的驱动程序我们确定采用虚拟设备的驱动程序实现
2．实现平台为linux系统，借助linux内核对设备驱动程序的抽象结构体和内核函数
3．要明确定义虚拟设备的的设备结构体
4．实现模块加载函数和卸载函数
5．实现open(),close(),lseek(),write(),read()函数
6．因源码包中已包含makefile，故利用make命令交叉编译memdev.c、test.c（已修改）等2个文件
7．模块的动态加载，以及/dev/memdev节点的创建
8．运行test程序测试，观察结果
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五、详细设计
1.在对设备驱动的有了充分的学习后，字符设备的驱动程序我们确定采用虚拟设备的驱动程序实现，其中确定该设备主要的结构体为：
struct mem_dev
{
char *data;
unsigned long size;
};
2.实现平台为linux系统，借助linux内核对设备驱动程序的抽象结构体和内核函数，要调用的内核抽象体有：
struct cdev cdev; //表示一个字符设备的内核设备的抽象体
static const struct mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
};
3.要明确定义虚拟设备的的设备结构体
struct mem_dev
{
char *data;
unsigned long size;
};
4.实现模块加载函数和卸载函数
static int memdev_init(void){}
static int memdev_exit(void){}
5.实现open(),close(),lseek(),write(),read()函数
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp);
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp);
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos);
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t
*ppos)
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence);
6.编译模块，模块的动态加载，以及/dev/memdev节点的创建,mknod /dev/memdev
结果如下：
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加载，insmod memdev.ko模块编译完，后我们需要把内核模块动态加载到内核，用命令 lsmod 显示加载成功，结果为：用命令
程序测试，观察结果test7运行
并出设备中成功的读出，证明我们的”我们看到我们用应用程序成功的写入了”xiaotian! 驱动程序运行完美。六、关键源代码注解*/ 设备驱动模块加载函数/*)
memdev_init(voidstatic int{
result; int
i; int
*/ dev_t类型的设备号/* dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0); 通过主设备号得到
*/ 静态申请设备号/*
(mem_major)
if
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result = register_chrdev_region(devno, 2, 浜浥敤屶);
else/* 动态分配设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, 浜浥敤屶);
mem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0)
return result;
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);//使cdev与mem_fops联系起来
cdev.owner = THIS_MODULE;//owner成员表示谁拥有这个驱动程序，使“内核引用模块计数”
加1；THIS_MODULE表示现在这个模块被内核使用，这是内核定义的一个宏
cdev.ops = &mem_fops;
/* 注册字符设备 */
cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
/* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS*sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);//目前为止我们始终用GFP_KERNEL
if (!mem_devp) /*申请失败*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
/*为设备分配内存*/
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);//分配出来的地址存在此 memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
}
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, 1);
return result;
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}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}
七、心得体会
通过本次操作系统的课程设计，我经历了从选定课题，在到查资料自学习，到写程序和测
试，可以说是一个艰难又具有挑战的过程，在这半个的月的时间里，我翻阅了大概两本关于嵌入式设备驱动开发的书籍，通过了解linux内核的结构到相关的内核结构和函数，在到建立一个驱动程序的模型，可以说是个漫长的过程，这是动力，在掌握了内核相关的数据结构和函数后，我开始建立我自己的驱动程序模型，对重点函数进行详细的学习后，比较open(),read(),write()等，我开始搭建这样一个虚拟的字符设备程序，给我最大的体会就是自学习能力的重要性，在拿到一个课题后我发现我要学习的新知识很多，而且是在很短的时间内，通过参阅资料，总算完成了任务。很感谢张士庚老师的认真指导与检查，让我对知识理解的更深了一步，在这么热了天就跑新校图书馆有好多次。总算课程设计的圆满的结束了，但学无止境，一起努力吧。
八、参考文献
（1）张尧学等. 计算机操作系统教程. 清华大学出版社，2006
（2）陈向群等. Windows内核实验教程. 机械工业出版社，2004
2005. 机械工业出版社，操作系统课程设计）罗宇等（3.
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中南大学 字符设备驱动程序 课程设计报告 姓名：王学彬 专业班级：信安1002班 学号：0909103108 课程：操作系统安全课程设计 指导老师：张士庚 一、课程设计目的 1.了解Linux字符设备驱动程序的结构； 2.掌握Linux字符设备驱动程序常用结构体和操作函数的使用方法； 3.初步掌握Linux字符设备驱动程序的编写方法及过程； 4.掌握Linux字符设备驱动程序的加载方法及测试方法。 二、课程设计内容 5.设计Windows XP或者Linux操作系统下的设备驱动程序; 6.掌握虚拟字符设备的设计方法和测试方法；
7.编写测试应用程序，测试对该设备的读写等操作。 三、需求分析 3.1驱动程序介绍 驱动程序负责将应用程序如读、写等操作正确无误的传递给相关的硬件，并使硬件能够做出正确反应的代码。驱动程序像一个黑盒子，它隐藏了硬件的工作细节，应用程序只需要通过一组标准化的接口实现对硬件的操作。 3.2 Linux设备驱动程序分类 Linux设备驱动程序在Linux的内核源代码中占有很大的比例，源代码的长度日益增加，主要是驱动程序的增加。虽然Linux内核的不断升级，但驱动程序的结构还是相对稳定。 Linux系统的设备分为字符设备(char device)，块设备(block device)和网络设备(network device)三种。字符设备是指在存取时没有缓存的设备，而块设备的读写都有缓存来支持，并且块设备必须能够随机存取(random access)。典型的字符设备包括鼠标，键盘，串行口等。块设备主要包括硬盘软盘设备，CD-ROM等。 网络设备在Linux里做专门的处理。Linux的网络系统主要是基于BSD unix的socket 机制。在系统和驱动程序之间定义有专门的数据结构(sk_buff)进行数据传递。系统有支持对发送数据和接收数据的缓存，提供流量控制机制，提供对多协议的支持。 3.3驱动程序的结构 驱动程序的结构如图3.1所示，应用程序经过系统调用，进入核心层，内核要控制硬件需要通过驱动程序实现，驱动程序相当于内核与硬件之间的“系统调用”。
《信息论与编码》教学大纲 一课程简介 课程编号：04254002 课程名称：信息论与编码Informatics & Coding 课程类型：基础课必修课 学时：32 学分：2 开课学期：第六学期 开课对象：通信、电子专业 先修课程：概率论与数理统计、信号与系统、随机信号原理。 参考教材：信息论与编码，陈运，周亮，陈新，电子工业出版社，2002年8月 二课程性质、目的与任务 信息论在理论上指出了建立最佳编码、最佳调制和最佳接收方法的最佳系统的理论原则，它对通信体制和通信系统的研究具有指导意义。提高信息传输的可靠性和有效性始终是通信工作所追求的目标。因此，信息论与编码是从事通信、电子系统工程的有关工程技术人员都必须掌握的基本理论知识。 内容提要：本课程包括狭义相对论和提高通信可靠性的差错控制编码理论。信息论所研究的主要问题是在通信系统设计中如何实现有效性和可靠性。 三教学基本内容与基本要求 本课程总学时为32。其中理论教学为28，实验学时为4。 主要的理论教学内容包括：离散信源和连续信源的熵、条件熵、联合熵和平均互信息量的概念及性质；峰值功率受限和平均功率受限下的最大熵定理和连续信源熵的变换；变长码的霍夫曼编码方法，熟悉编码效率和平均码长的计算；最大后验概率准则和最大似然译码准则等。 实验内容主要包括：离散无记忆信道容量的迭代算法，循环码的编译码。 四教学内容与学时分配 第3章离散信源无失真编码
第6章网络信息论 （教学要求：A—熟练掌握；B—掌握；C—了解） 五实习、实验项目及学时分配 1．离散无记忆信道容量的迭代算法2学时 要求用Matlab编写计算离散信道容量的实用程序并调试成功，加深对信道容量的理解。 2．循环码的编译码2学时 要求用Matlab编写程序，用软件完成循环码的编译码算法。 六教学方法与手段 常规教学与多媒体教学相结合。
Linux字符设备驱动（转载） 来源: ChinaUnix博客日期：2008.01.01 18:52(共有0条评论) 我要评论 Linux字符设备驱动（转载） 这篇文章描述了在Linux 2.4下，如何建立一个虚拟的设备，对初学者来说很有帮助。原文地址：https://www.doczj.com/doc/759295752.html,/186/2623186.shtml Linux下的设备驱动程序被组织为一组完成不同任务的函数的集合，通过这些函数使得Windows的设备操作犹如文件一般。在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作，如open ()、close ()、read ()、write () 等。 Linux主要将设备分为二类：字符设备和块设备。字符设备是指设备发送和接收数据以字符的形式进行；而块设备则以整个数据缓冲区的形式进行。字符设备的驱动相对比较简单。 下面我们来假设一个非常简单的虚拟字符设备：这个设备中只有一个4个字节的全局变量int global_var，而这个设备的名字叫做"gobalvar"。对"gobalvar"设备的读写等操作即是对其中全局变量global_var的操作。 驱动程序是内核的一部分，因此我们需要给其添加模块初始化函数，该函数用来完成对所控设备的初始化工作，并调用register_chrdev() 函数注册字符设备： static int __init gobalvar_init(void) { if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " gobalvar ", &gobalvar_fops)) { //…注册失败 } else
信息论与编码 1. 通信系统模型 信源—信源编码—加密—信道编码—信道—信道解码—解密—信源解码—信宿 | | | （加密密钥） 干扰源、窃听者 （解密秘钥） 信源：向通信系统提供消息的人或机器 信宿：接受消息的人或机器 信道：传递消息的通道，也是传送物理信号的设施 干扰源：整个系统中各个干扰的集中反映，表示消息在信道中传输受干扰情况 信源编码： 编码器：把信源发出的消息变换成代码组，同时压缩信源的冗余度，提高通信的有效性 （代码组 = 基带信号；无失真用于离散信源，限失真用于连续信源） 译码器：把信道译码器输出的代码组变换成信宿所需要的消息形式 基本途径：一是使各个符号尽可能互相独立，即解除相关性；二是使各个符号出现的概率尽可能相等，即概率均匀化 信道编码： 编码器：在信源编码器输出的代码组上增加监督码元，使之具有纠错或检错的能力，提高通信的可靠性 译码器：将落在纠检错范围内的错传码元检出或纠正 基本途径：增大码率或频带，即增大所需的信道容量 2. 自信息：()log ()X i i I x P x =-，或()log ()I x P x =- 表示随机事件的不确定度，或随机事件发生后给予观察者的信息量。 条件自信息：//(/)log (/)X Y i j X Y i j I x y P x y =- 联合自信息：(,)log ()XY i j XY i j I x y P x y =- 3. 互信息：;(/) () (;)log log ()()()i j i j X Y i j i i j P x y P x y I x y P x P x P y == 信源的先验概率与信宿收到符号消息后计算信源各消息的后验概率的比值，表示由事件y 发生所得到的关于事件x 的信息量。 4. 信息熵：()()log ()i i i H X p x p x =-∑ 表示信源的平均不确定度，或信源输出的每个信源符号提供的平均信息量，或解除信源不确定度所需的信息量。 条件熵：,(/)()log (/)i j i j i j H X Y P x y P x y =- ∑ 联合熵：,()()log ()i j i j i j H XY P x y P x y =-∑ 5. 平均互信息：,()(;)()log ()() i j i j i j i j p x y I X Y p x y p x p y =∑
字符设备驱动实验 实验步骤： 1、将设备驱动程序使用马克file文件编译 生成模块firstdev.ko 2、将模块加载到系统中insmod firstdev.ko 3、手动创建设备节点 mknod /dev/first c 122 0 4、使用gcc语句编译firsttest.c生成可执行 文件 5、运行可执行文件firsttest，返回驱动程序 中的打印输出语句。 查看设备号：cat /proc/devices 卸载驱动：rmmod firstdev 删除设备节点：rm /dev/first 显示printk语句，（打开一个新的终端）while true do sudo dmesg -c sleep 1 done
源码分析 设备驱动程序firstdev.c #include
static struct file_operations first_dev_fops ={ .owner = THIS_MODULE, .open = first_dev_open, }; static int __init first_dev_init(void) { int ret; ret = register_chrdev(122,"/dev/first",&first_dev_fo ps); printk("Hello Modules\n"); if(ret<0) { printk("can't register major number\n"); return ret; }
如何编写Linux设备驱动程序 Linux是Unix操作系统的一种变种，在Linux下编写驱动程序的原理和思想完全类似于其他的Unix系统，但它dos或window环境下的驱动程序有很大的区别。在Linux环境下设计驱动程序，思想简洁，操作方便，功能也很强大，但是支持函数少，只能依赖kernel中的函数，有些常用的操作要自己来编写，而且调试也不方便。本文是在编写一块多媒体卡编制的驱动程序后的总结，获得了一些经验，愿与Linux fans共享，有不当之处，请予指正。 以下的一些文字主要来源于khg，johnsonm的Write linux device driver，Brennan's Guide to Inline Assembly，The Linux A-Z，还有清华BBS上的有关device driver的一些资料. 这些资料有的已经过时，有的还有一些错误，我依据自己的试验结果进行了修正. 一、Linux device driver 的概念 系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能： 1）对设备初始化和释放； 2）把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据； 3）读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据； 4）检测和处理设备出现的错误。 在Linux操作系统下有两类主要的设备文件类型，一种是字符设备，另一种是块设备。字符设备和块设备的主要区别是：在对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O一般就紧接着发生了，块设备则不然，它利用一块系统内存作缓冲区，当用户进程对设备请求能满足用户的要求，就返回请求的数据，如果不能，就调用请求函数来进行实际的I/O操作。块设备是主要针对磁盘等慢速设备设计的，以免耗费过多的CPU时间来等待. 已经提到，用户进程是通过设备文件来与实际的硬件打交道。每个设备文件都都有其文件属性(c/b)，表示是字符设备还是块设备。另外每个文件都有两个设备号，第一个是主设备号，标识驱动程序，第二个是从设备号，标识使用同一个设备驱动程序的不同的硬件设备，比如有两个软盘，就可以用从设备号来区分他们。设备文件的主设备号必须与设备驱动程序在登记时申请的主设备号一致，否则用户进程将无法访问到驱动程序. 最后必须提到的是，在用户进程调用驱动程序时，系统进入核心态，这时不再是抢先式调度。也就是说，系统必须在你的驱动程序的子函数返回后才能进行其他的工作。如果你的驱动程序陷入死循环，不幸的是你只有重新启动机器了，然后就是漫长的fsck。 二、实例剖析 我们来写一个最简单的字符设备驱动程序。虽然它什么也不做，但是通过它可以了解Linux的设备驱动程序的工作原理.把下面的C代码输入机器，你就会获得一个真正的设备
第一章 1.通信系统的基本模型: 2.信息论研究内容：信源熵，信道容量，信息率失真函数，信源编码，信道编码，密码体制的安全性测度等等 第二章 １.自信息量：一个随机事件发生某一结果所带的信息量。 ２.平均互信息量：两个离散随机事件集合X 和Y ，若其任意两件的互信息量为 I （Xi;Yj ），则其联合概率加权的统计平均值，称为两集合的平均互信息量，用I （X;Y ）表示 ３.熵功率：与一个连续信源具有相同熵的高斯信源的平均功率定义为熵功率。如果熵功率等于信源平均功率，表示信源没有剩余；熵功率和信源的平均功率相差越大，说明信源的剩余越大。所以信源平均功率和熵功率之差称为连续信源的剩余度。信源熵的相对率(信源效率)：实际熵与最大熵的比值 信源冗余度： 0H H ∞=ηη ζ-=1
意义：针对最大熵而言，无用信息在其中所占的比例。 ３.极限熵： 平均符号熵的N 取极限值，即原始信源不断发符号，符号间的统计关系延伸到无穷。 ４. ５.离散信源和连续信源的最大熵定理。 离散无记忆信源，等概率分布时熵最大。 连续信源，峰值功率受限时，均匀分布的熵最大。 平均功率受限时，高斯分布的熵最大。 均值受限时，指数分布的熵最大 ６.限平均功率的连续信源的最大熵功率： 称为平均符号熵。 定义：即无记忆有记忆N X H H X H N X H X NH X H X H X H N N N N N N )() ()()()()()(=≤∴≤≤
若一个连续信源输出信号的平均功率被限定为p ，则其输出信号幅度的概率密度分布是高斯分布时，信源有最大的熵，其值为 1log 22 ep π.对于N 维连续平稳信源来说，若其输出的N 维随机序列的协方差矩阵C 被限定，则N 维随机矢量为正态分布时信源 的熵最大，也就是N 维高斯信源的熵最大，其值为1log ||log 222N C e π+ 7.离散信源的无失真定长编码定理： 离散信源无失真编码的基本原理 原理图 说明： （1） 信源发出的消息：是多符号离散信源消息，长度为L,可以用L 次扩展信 源表示为： X L =(X 1X 2……X L ) 其中，每一位X i 都取自同一个原始信源符号集合（n 种符号）： X={x 1，x 2，…x n } 则最多可以对应n L 条消息。 （2）信源编码后，编成的码序列长度为k,可以用k 次扩展信宿符号表示为： Y k =(Y 1Y 2……Y k ) 称为码字/码组 其中，每一位Y i 都取自同一个原始信宿符号集合： Y={y 1，y 2，…y m } 又叫信道基本符号集合（称为码元，且是m 进制的） 则最多可编成m k 个码序列，对应m k 条消息 定长编码：信源消息编成的码字长度k 是固定的。对应的编码定理称为定长信源编码定理。 变长编码：信源消息编成的码字长度k 是可变的。 8.离散信源的最佳变长编码定理 最佳变长编码定理：若信源有n 条消息，第i 条消息出现的概率为p i ，且 p 1>=p 2>=…>=p n ，且第i 条消息对应的码长为k i ，并有k 1<=k 2<=…<=k n
实现如下的功能: --字符设备驱动程序的结构及驱动程序需要实现的系统调用 --可以使用cat命令或者自编的readtest命令读出"设备"里的内容 --以8139网卡为例,演示了I/O端口和I/O内存的使用 本文中的大部分内容在Linux Device Driver这本书中都可以找到, 这本书是Linux驱动开发者的唯一圣经。 ================================================== ===== 先来看看整个驱动程序的入口,是char8139_init(这个函数 如果不指定MODULE_LICENSE("GPL", 在模块插入内核的 时候会出错,因为将非"GPL"的模块插入内核就沾污了内核的 "GPL"属性。 module_init(char8139_init; module_exit(char8139_exit; MODULE_LICENSE("GPL"; MODULE_AUTHOR("ypixunil"; MODULE_DESCRIPTION("Wierd char device driver for Realtek 8139 NIC"; 接着往下看char8139_init( static int __init char8139_init(void {
int result; PDBG("hello. init.\n"; /* register our char device */ result=register_chrdev(char8139_major, "char8139", &char8139_fops; if(result<0 { PDBG("Cannot allocate major device number!\n"; return result; } /* register_chrdev( will assign a major device number and return if it called * with "major" parameter set to 0 */ if(char8139_major == 0 char8139_major=result; /* allocate some kernel memory we need */ buffer=(unsigned char*(kmalloc(CHAR8139_BUFFER_SIZE, GFP_KERNEL; if(!buffer { PDBG("Cannot allocate memory!\n"; result= -ENOMEM;
字符设备驱动程序 字符设备驱动程序与块设备不同。所涉及的键盘驱动、控制台显示驱动和串口驱动以及与这些驱动有关的接口、算法程序都紧密相关。他们共同协作实现控制台终端和串口终端功能。 下图反映了控制台键盘中断处理过程。 以上为总的处理流程，下面对每一个驱动分开分析。首先是键盘驱动。键盘驱动用汇编写的，比较难理解，牵涉内容较多，有键盘控制器804X的编程，还有扫描码（共3套，这里用第二套）和控制命令及控制序列（p209~210有讲解）。由于键盘从XT发展到AT到现在PS/2，USB，无线键盘，发展较快，驱动各有不同，此版本驱动为兼容XT，将扫描码映射为XT再处理，因此仅供参考。CNIX操作系统的键盘驱动实现为C语言，可读性更好。 键盘驱动 键盘驱动就是上图键盘硬件中断的过程。keyboard.S中的_keyboard_interrupt 函数为中断主流程，文件中其他函数均被其调用。
以上打星处为键盘驱动的核心，即主要处理过程，针对不同扫描码分别处理，并最终将转换后所得ASCII 码或控制序列放入控制台tty 结构的读缓冲队列read_q 中。 键处理程序跳转表为key_table ，根据扫描码调用不同处理程序，对于“普通键”，即只有一个字符返回且没有含义变化的键，调用do_self 函数。其他均为“特殊键”：1. crtrl 键的按下和释放 2. alt 键的按下和释放 3. shift 键的按下和释放 4. caps lock 键的按下和释放（释放直接返回，不作任何处理） 5. scroll lock 键的按下 6. num lock 的按下 7. 数字键盘的处理（包括alt-ctrl+delete 的处理，因为老式键盘delete 键在数字小键盘上。还包括对光标移动键的分别处理） 8. 功能键 （F1~F12）的处理 9. 减号的处理（老键盘’/’与’-’以0xe0加以区分，可能其中一键要按shift ） do_self 是最常用的流程，即跳转表中使用频率最高的流程：
一、课程设计目的 Linux 系统的开源性使其在嵌入式系统的开发中得到了越来越广泛的应用，但其本身并没有对种类繁多的硬件设备都提供现成的驱动程序，特别是由于工程应用中的灵活性，其驱动程序更是难以统一，这时就需开发一套适合于自己产品的设备驱动。对用户而言，设备驱动程序隐藏了设备的具体细节，对各种不同设备提供了一致的接口，一般来说是把设备映射为一个特殊的设备文件，用户程序可以像对其它文件一样对此设备文件进行操作。 通过这次课程设计可以了解linux的模块机制，懂得如何加载模块和卸载模块，进一步熟悉模块的相关操作。加深对驱动程序定义和设计的了解，了解linux驱动的编写过程，提高自己的动手能力。 二、课程设计内容与要求 字符设备驱动程序 1、设计目的：掌握设备驱动程序的编写、编译和装载、卸载方法，了解设备文件的创建，并知道如何编写测试程序测试自己的驱动程序是否能够正常工作 2、设计要求： 1) 编写一个简单的字符设备驱动程序，该字符设备包括打开、读、写、I\O控制与释放五个基本操作。 2) 编写一个测试程序，测试字符设备驱动程序的正确性。 3) 要求在实验报告中列出Linux内核的版本与内核模块加载过程。 三、系统分析与设计 1、系统分析 系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件的细节，这样在应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以象操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能: 1、对设备初始化和释放； 2、把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据； 3、读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据； 4、检测和处理设备出现的错误。 字符设备提供给应用程序的是一个流控制接口，主要包括op e n、clo s e（或r ele as e）、r e ad、w r i t e、i o c t l、p o l l和m m a p等。在系统中添加一个字符设备驱动程序，实际上就是给上述操作添加对应的代码。对于字符设备和块设备，L i n u x内核对这些操作进行了统一的抽象，把它们定义在结构体fi le_operations中。 2、系统设计： 、模块设计：
实验报告 课程名称：信息论与编码姓名： 系：专 业：年 级：学 号：指导教 师：职 称：
年月日 目录 实验一信源熵值的计算 (1) 实验二Huffman 信源编码. (5) 实验三Shannon 编码 (9) 实验四信道容量的迭代算法 (12) 实验五率失真函数 (15) 实验六差错控制方法 (20) 实验七汉明编码 (22)
实验一信源熵值的计算 、实验目的 1 进一步熟悉信源熵值的计算 2 熟悉Matlab 编程 、实验原理 熵(平均自信息)的计算公式 q q 1 H(x) p i log2 p i log2 p i i 1 p i i 1 MATLAB实现：HX sum( x.* log2( x))；或者h h x(i)* log 2 (x(i )) 流程：第一步：打开一个名为“ nan311”的TXT文档，读入一篇英文文章存入一个数组temp，为了程序准确性将所读内容转存到另一个数组S，计算该数组中每个字母与空格的出现次数( 遇到小写字母都将其转化为大写字母进行计数) ，每出现一次该字符的计数器+1；第二步：计算信源总大小计算出每个字母和空格出现的概率；最后，通过统计数据和信息熵公式计算出所求信源熵值(本程序中单位为奈特nat )。 程序流程图： 三、实验内容 1、写出计算自信息量的Matlab 程序 2、已知：信源符号为英文字母(不区分大小写)和空格输入：一篇英文的信源文档。输出：给出该信源文档的中各个字母与空格的概率分布，以及该信源的熵。 四、实验环境 Microsoft Windows 7
五、编码程序 #include"stdio.h" #include
《信息论与编码》课程小结 《信息论与编码》课程小结信息论是应用概率论、随机过程和数理统计和近代代数等方法，来研究信息的存储、传输和处理中一般规律的学科。它的主要目的是提高通信系统的可靠性、有效性和安全性，以便达到系统的最优化。 关于信息论的基本理论体系，1948年，香农在贝尔系统技术杂志
上发表“通信的数学理论”。在文中，他用概率测度和数理统计的方法系统地讨论了通信的基本问题，得出了几个重要而带有普遍意义的结论，并由此奠定了现代信息论的基础。香农理论的核心是：揭示了在通信系统中采用适当的编码后能够实现高效率和高可靠地传输信息，并得出了信源编码定理和信道编码定理。然而，它们给出了编码的性能极限，在理论上阐明了通信系统中各种因素的相互关系，为寻找最佳通信系统提供了重要的理论依据。 对信息论的研究内容一般有以下三种理解： (1) 狭义信息论，也称经典信息论。它主要研究信息的测度、信道容量以及信源和信道编码理论等问题。这部分内容是信息论的基础理论，又称香农基本理论。 (2) 一般信息论，主要是研究信息传输和处理问题。除了香农理论以外，还包括噪声理论、信号滤波和预测、统计检测与估计理论、调制理论、信息处理理论以及保密理论等。后一部分内容以美国科学家维纳为代表，其中最有贡献的是维纳和苏联科学家柯尔莫哥洛夫。 (3) 广义信息论。广义信息论不仅包括上述两方面的内容，而且包括所有与信息有关的自然和社会领域，如模式识别、计算机翻译、心理学、遗传学、神经生理学、语言学、语义学甚至包括社会学中有关信息的问题，是新兴的信息科学理论。 信息论已经成为现代信息科学的一个重要组成部分，它是现代通信和信息技术的理论基础。现代信息论又是数学概率论下的一个分支，与遍历性理论、大偏差理论以及统计力学等都有密切关系。 关于信息论与编码课程的特点，信息论课程中运用了大量的数学知识。例如：在讨论纠错编码中生成矩阵和一致校验矩阵的关系时，需要用到矩阵的运算和性质；在讨论连续信源熵时，需要对连续信源概率密度进行积分运算；在讨论离散信源熵的最大值或信道容量的最大值时，要计算多元函数的条件极值。此外，信息论与编码中很多定理都伴随着复杂的数学证明，其中最明显的就是香农三定理（无失真信源编码定理、有
编写字符设备驱动框架的步骤 Step 1: 申请设备号（主要是申请主设备号） 有两种方式: ⑴静态申请 通过下面这个函数实现： int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name); /* register_chrdev_region() - register a range of device numbers * @from: the first in the desired range of device numbers; must include * the major number. * @count: the number of consecutive device numbers required * @name: the name of the device or driver. * * Return value is zero on success, a negative error code on failure.*/ 这种方式主要用于，驱动开发者事先知道该驱动主设备号的情况。 ⑵动态申请 通过下面这个函数实现： int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name) /* alloc_chrdev_region() - register a range of char device numbers * @dev: output parameter for first assigned number * @baseminor: first of the requested range of minor numbers * @count: the number of minor numbers required * @name: the name of the associated device or driver * * Allocates a range of char device numbers. The major number will be * chosen dynamically, and returned (along with the first minor number) * in @dev. Returns zero or a negative error code.*/ 这种方式由系统动态分配一个设备号，返回的设备号保存在参数dev中。 Step 2 :注册字符设备 在linux 内核中用struct cdev表示一个字符设备。 字符设备的注册与注销分别通过下面的两个函数来实现： int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)； /** * cdev_add() - add a char device to the system * @p: the cdev structure for the device * @dev: the first device number for which this device is responsible * @count: the number of consecutive minor numbers corresponding to this * device * * cdev_add() adds the device represented by @p to the system, making it * live immediately. A negative error code is returned on failure.
1. 在无失真的信源中，信源输出由 H (X ) 来度量；在有失真的信源中，信源输出由 R (D ) 来度量。 2. 要使通信系统做到传输信息有效、可靠和保密，必须首先 信源 编码， 然后_____加密____编码，再______信道_____编码，最后送入信道。 3. 带限AWGN 波形信道在平均功率受限条件下信道容量的基本公式，也就是有名的香农公式是log(1)C W SNR =+；当归一化信道容量C/W 趋近于零时，也即信道完全丧失了通信能力，此时E b /N 0为 -1.6 dB ，我们将它称作香农限，是一切编码方式所能达到的理论极限。 4. 保密系统的密钥量越小，密钥熵H (K )就越 小 ，其密文中含有的关于明文的信息量I (M ；C )就越 大 。 5. 设输入符号表为X ＝{0，1}，输出符号表为Y ＝{0，1}。输入信号的概率分布为p ＝(1/2，1/2)，失真函数为d (0，0) = d (1，1) = 0，d (0，1) =2，d (1，0) = 1，则D min ＝ 0 ，R (D min )＝ 1bit/symbol ，相应的编码器转移概率矩阵[p(y/x )]＝1001?? ???? ；D max ＝ 0.5 ，R (D max )＝ 0 ，相应的编码器转移概率矩阵[p(y/x )]＝1010?? ???? 。 二、判断题 1. 可以用克劳夫特不等式作为唯一可译码存在的判据。 （√ ） 2. 线性码一定包含全零码。 （√ ） 3. 算术编码是一种无失真的分组信源编码，其基本思想是将一定精度数值作为序列的 编码，是以另外一种形式实现的最佳统计匹配编码。 （×） 4. 某一信源，不管它是否输出符号，只要这些符号具有某些概率特性，就有信息量。 （×） 5. 离散平稳有记忆信源符号序列的平均符号熵随着序列长度L 的增大而增大。 （×） 6. 限平均功率最大熵定理指出对于相关矩阵一定的随机矢量X ，当它是正态分布时具 有最大熵。 （√ ） 7. 循环码的码集中的任何一个码字的循环移位仍是码字。 （√ ） 8. 信道容量是信道中能够传输的最小信息量。 （×） 9. 香农信源编码方法在进行编码时不需要预先计算每个码字的长度。 （×） 10. 在已知收码R 的条件下找出可能性最大的发码i C 作为译码估计值，这种译码方 法叫做最佳译码。 （√ ） 三、计算题 某系统（7，4）码 )()(01201230123456c c c m m m m c c c c c c c ==c 其三位校验 位与信息位的关系为：
---简介 Linux下的MISC简单字符设备驱动虽然使用简单，但却不灵活。 只能建立主设备号为10的设备文件。字符设备比较容易理解，同时也能够满足大多数简 单的硬件设备,字符设备通过文件系统中的名字来读取。这些名字就是文件系统中的特 殊文件或者称为设备文件、文件系统的简单结点，一般位于/dev/目录下使用ls进行查 看会显示以C开头证明这是字符设备文件crw--w---- 1 root tty 4, 0 4月 14 11:05 tty0。 第一个数字是主设备号，第二个数字是次设备号。 ---分配和释放设备编号 1)在建立字符设备驱动时首先要获取设备号，为此目的的必要的函数是 register_chrdev_region,在linux/fs.h中声明：int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);first是你想 要分配的起始设备编号，first的次编号通常是0，count是你请求的连续设备编号的 总数。count如果太大会溢出到下一个主设备号中。name是设备的名字，他会出现在 /proc/devices 和sysfs中。操作成功返回0，如果失败会返回一个负的错误码。 2)如果明确知道设备号可用那么上一个方法可行，否则我们可以使用内核动态分配的设 备号int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor,unsigned int count, char *name);dev是个只输出的参数，firstminor请求的第一个要用的次编号， count和name的作用如上1)对于新驱动，最好的方法是进行动态分配 3)释放设备号，void unregister_chrdev_region(dev_t first unsigned int count); ---文件操作file_operations结构体，内部连接了多个设备具体操作函数。该变量内部 的函数指针指向驱动程序中的具体操作，没有对应动作的指针设置为NULL。 1)fops的第一个成员是struct module *owner 通常都是设置成THIS_MODULE。 linux/module.h中定义的宏。用来在他的操作还在被使用时阻止模块被卸载。 2)loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);该方法用以改变文件中的当前读/ 写位置 返回新位置。 3)ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);该函数用 以从设备文件 中读取数据，读取成功返回读取的字节数。
信息论与编码知识点分布 注： （1）复习过程中参考如下知识点，重点复习教材与多媒体讲义中的相关内容，在理解的基础上进行针对性公式记忆。 （2）期末考试题量较大，题型较为灵活，求解速度很重要。因此复习中对典型例题、讲义中典型习题、教材中模拟题等要熟练掌握求解方法。 第二章 信源与信源熵 1信源的不确定性 2单符号离散信源 （1）单符号离散信源的数学模型 1212,, ,,,(), (), ,(), , ()()i n i n x x x x X p x p x p x p x P X ?? ??? =???????? ? （2）单符号离散信源的信息量（自信息量 、联合信息量、条件信息量及三种信息量的关系） 自信息量： ()log ()i i I x p x =- 条件信息量： 2(/)log (/)i j i j I x y p x y =- 联合信息量： 22()log ()log ()(/)()(/)()(/) i j i j j i j i i j j j i I x y p x y p y p x y I x I x y I y I y x =-=-=+=+ 互信息量： 2 (/)(;)log ()(/)()()()() i j i j i i j i j i j i p x y I x y I x I x y I x I y I x y p x ==-=+- 信源熵： ∑=-===n i i i i i x p x p x p E x I E X H 1 22)(log )(])(1 [log )]([)( 条件熵： ∑∑=== =m j n i j i j i j i y x I y x p y x I E Y X H 1 1 )/()()]/([)/( 联合熵： ∑∑∑∑====-== n i m j n i m j j i j i j i j i y x p y x p y x I y x p XY H 1 1 1 1 2 )(log )()()()( 熵函数的性质：非负性；对称性；最大离散熵定理；扩展性；可加性；极值性； 平均互信息量：
信息论与编码复习总结 题型：填空、解答、计算 1、编码：无失真与限失真信源编码定理 编码分为信源编码和信道编码，其中信源编码又分为无失真和限失真 三大定理: 无失真信源编码定理（第一极限定理）（可逆） 信道编码定理（第二极限定理） 限失真信源编码定理（第三极限定理）（不可逆） Shannon(香农)信息论：在噪声环境下，可靠地、安全地、有效地传送信息理论。通信系统模型方框图: 信道的种类很多，如电信中常用的架空明线、同轴电缆、波导、光纤、传输电磁波的空间等都是信道。也可以从信道的性质或其传送的信号情况来分类，例如：无干扰信道和有干扰信道、恒参信道和变参信道、离散信道（Discrete Channel）和连续信道（Continuous Channel）、单用户信道和多用户信道等。 信源的描述：通过概率空间描述
平稳包含齐次，而齐次不包含平稳（重要，第二章计算题） 定义：若齐次马尔可夫链对一切i,j存在不依赖于i的极限，则称其具有遍历性，p j称为平稳分布（如下） 设有一齐次马尔可夫链，其状态转移矩阵为P，其稳态分布为w j=p(s j) 自信息量的特性： p(x i)=1,I(x i)=0; p(x i)=0,I(x i)=∞;非负性；单调递减性；可加性；定义：联合概率空间中任一联合事件的联合（自）信息量为： 定义：对于给定离散概率空间表示的信源，在出现y事件后所提供有关事件x的信息量定义互信息，单位为比特
信道模型：二进制离散信道BSC；离散无记忆信道DMC；波形信道 信源编码器的目的：是使编码后所需的信息传输率R尽量小。 信源编码：主要任务就是减少冗余，提高编码效率。
实验二：字符设备驱动实验 一、实验目的 通过本实验的学习，了解Linux操作系统中的字符设备驱动程序结构，并能编写简单的字符设备的驱动程序以及对所编写的设备驱动程序进行测试，最终了解Linux操作系统如何管理字符设备。 二、准备知识 字符设备驱动程序主要包括初始化字符设备、字符设备的I/O调用和中 断服务程序。在字符设备驱动程序的file_operations结构中，需要定义字 符设备的基本入口点。 open()函数； release()函数 read()函数 write()函数 ioctl()函数 select()函数。 另外，注册字符设备驱动程序的函数为register_chrdev()。 register_chrdev() 原型如下： int register_chrdev(unsigned int major, //主设备号 const char *name, //设备名称 struct file_operations *ops)； //指向设备操作函数指针 其中major是设备驱动程序向系统申请的主设备号。如果major为0， 则系统为该驱动程序动态分配一个空闲的主设备号。name是设备名称，ops 是指向设备操作函数的指针。 注销字符设备驱动程序的函数是unregister_chrdev(),原型如下：int unregister_chrdev(unsigned int major,const char *name); 字符设备注册后，必须在文件系统中为其创建一个设备文件。该设备文件可以在/dev目录中创建，每个设备文件代表一个具体的设备。 使用mknod命令来创建设备文件。创建设备文件时需要使用设备的主设备号和从设备号作为参数。 阅读教材相关章节知识，了解字符设备的驱动程序结构。