Linux驱动编程 - 字符设备驱动

简介：

一、字符设备驱动框架

1、字符设备驱动入口

2、字符设备驱动加载过程

2.1 申请设备号

2.1.1 分配设备号函数

(1) 静态分配函数

(2) 动态分配函数

(3) 注销设备号

2.1.2 设备号中的主/次设备号

2.1.3 申请设备号示例

2.2 注册字符设备

2.2.1 cdev结构体介绍

2.2.2 file_operations结构体介绍

2.2.3 初始化、注册字符设备

(1) cdev_init

(2) cdev_add

(3) 注销字符设备

2.2.4 注册字符设备示例

2.3 自动创建设备节点

2.3.1 class_create创建类

2.3.2 device_create创建设备

2.3.3 自动创建设备节点示例

二、字符设备示例

1、命令测试

2、应用程序读写

简介：

Linux内核主要包括三种驱动模型，字符设备驱动、块设备驱动以及网络设备驱动。本文主要介绍字符设备驱动的框架和机制。

一、字符设备驱动框架

Linux底层驱动一般都从入口函数开始分析。

1、字符设备驱动入口

驱动首先实现的就是加载和卸载函数，也是驱动程序的入口函数。

 static int __init xxx_init(void){}static void __exit xxx_exit(void){}module_init(xxx_init);module_exit(xxx_exit);

这段代码实现了通用驱动的 module_init 加载与 module_exit 卸载框架。

2、字符设备驱动加载过程

字符设备驱动加载过程

字符设备驱动卸载过程

2.1 申请设备号

每一类字符设备都有唯一的设备号，其中设备号又分为主设备号和次设备号。

主设备号：用于标识设备的类型，如：区分是IIC设备还是SPI设备；
次设备号：用于区分同类型的不同设备，如：区分IIC设备下，具体哪一个设备，是MPU6050还是EEPROM；

2.1.1 分配设备号函数

设备号的分配方式有两种，一种是静态分配，另一种是动态分配。

(1) 静态分配函数

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)

功能：以from设备号开始，连续分配count个同类型的设备号

参数：

from：表示已知的一个设备号
count：表示连续设备编号的个数，（同类型的设备有多少个）
name：表示设备或者驱动的名称

(2) 动态分配函数

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)

功能：从baseminor次设备号开始，连续分配count个同类型的设备号，并自动分配一个主设备号，将主、次组成的设备号信息赋值给*dev

参数：

dev：设备号的指针，用于存放分配的设备号，可使用MAJOR和MINOR宏，将主设备号和次设备号分别提取出来；
baseminor：次设备号从第几开始分配；
count：表示连续次设备号的个数，（同类型的设备有多少个）；
name：表示设备或者驱动的名称；

两个函数的区别：

register_chrdev_region：已给定主设备号和次设备号，调用该函数将设备号注册到内核；
alloc_chrdev_region：未给定设备的主设备号和次设备号，调用后，主设备号以0来表示，以自动分配，并且将自动分配的设备号，同样加入到子系统中，方便系统追踪系统设备号的使用情况；

(3) 注销设备号

设备号作为一种系统资源，使用完后需要将占用的设备号归还给系统，调用 unregister_chrdev_region 注销

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

功能：要注销from主设备号下的连续count个设备

参数：

from：表示已知的一个设备号
count：表示连续设备编号的个数，（同类型的设备有多少个）

2.1.2 设备号中的主/次设备号

设备号的类型是dev_t ，内核 include/linux/types.h 可以看到dev_t 表示u32类型的数值。

 typedef u32 __kernel_dev_t;typedef __kernel_dev_t      dev_t;

dev_t 包括主设备号和次设备号，由 MINORBITS 宏定义指定分界线，主设备号占用高12bit，次设备号占用低20bit。

头文件 include/linux/kdev_t.h 中定义

#define MINORBITS	20
#define MINORMASK	((1U << MINORBITS) - 1)#define MAJOR(dev)	((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))    //从dev_t中获取主设备号
#define MINOR(dev)	((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))     //从dev_t中获取次设备号
#define MKDEV(ma,mi)	(((ma) << MINORBITS) | (mi))         //主/次设备号组成dev_t

2.1.3 申请设备号示例

static dev_t devid;				//设备号
static int major;				//主设备号
static int minor;				//次设备号
#define DEV_CNT        1        //设备数量
#define DEV_NAME    "test"      //设备名字/* 创建设备号 */
if (major) {         /* 定义了设备号 */devid = MKDEV(major, 0);        //主设备号major和次设备号0组成dev_t register_chrdev_region(devid, DEV_CNT, DEV_NAME);     //dev_t设备号注册到内核
} else {             /* 没有定义设备号 */alloc_chrdev_region(&devid, 0, DEV_CNT, DEV_NAME);    //申请设备号dev_t major = MAJOR(devid);     //获取dev_t的主设备号minor = MINOR(devid);     //获取dev_t的次设备号
}

2.2 注册字符设备

2.2.1 cdev结构体介绍

cdev 定义在 include/linux/cdev.h，用来抽象一个字符设备。

struct cdev{struct kobject kobj;                //表示一个内核对象struct module *owner;	            //值为THIS_MODULE，表示模块const struct file_operations *ops;	//操作集，包括open、read、write等操作接口struct list_head list;              //用于将该设备加入到内核模块链表中dev_t dev;	                        //设备号（包括主设备号和次设备号）unsigned int count;	                //次设备号个数
};

2.2.2 file_operations结构体介绍

file_operations 定义在 include/linux/fs.h，它是文件操作集，包含open、read、write等操作。

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 (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);unsigned long mmap_supported_flags;int (*open) (struct inode *, struct file *);int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);int (*release) (struct inode *, struct file *);int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);int (*fasync) (int, struct file *, int);int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);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);int (*check_flags)(int);int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,loff_t len);void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMUunsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endifssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,loff_t, size_t, unsigned int);int (*clone_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t,u64);int (*dedupe_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t,u64);int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
} __randomize_layout;

2.2.3 初始化、注册字符设备

(1) cdev_init

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)

功能：初始化cdev结构体

参数：

cdev：struct cdev结构体字符设备
fops：文件操作集

(2) cdev_add

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

功能：添加一个字符设备到kernel

参数：

p：cdev结构体指针
dev：设备号
count：该类型设备的个数

(3) 注销字符设备

void cdev_del(struct cdev *p)

功能：从系统中移除该字符设备驱动

2.2.4 注册字符设备示例

调用 cdev_add 后，"cat /proc/devices" 命令能看到字符设备信息

/* 定义file_operations */
static struct file_operations dev_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = dev_open,.read = dev_read,.write = dev_write,.release = 	dev_release,
};/* 初始化并注册 cdev */struct cdev cdev;cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&cdev, &dev_fops);		//初始化字符设备结构，设置file_operationscdev_add(&cdev, devid, DEV_CNT);    //添加至内核，"cat /proc/devices"能查看

2.3 自动创建设备节点

mknod 命令可以手动创建设备节点，简单介绍如下：

$ mknod /dev/test c 252 0 #生成/dev/test，c表示字符设备，主设备号为 252，次设备号为 0

主设备号可以用 "cat /proc/devices" 查看。下面主要介绍自动创建设备节点。

2.3.1 class_create创建类

#define class_create(owner, name) \

({ \

static struct lock_class_key __key; \

__class_create(owner, name, &__key); \

})

void class_destroy(struct class *cls) //注销class

调用class_create后，会在/sys/class/下创建类文件夹，文件夹名由函数的第二个入参决定。

2.3.2 device_create创建设备

struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent,

dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...)

功能：调用device_create，会在/sys/class/xxx类下面创建一个设备，通过udev在/dev/目录下生成设备文件节点，文件名由fmt参数决定。

参数：

class：表示设备要创建哪个类下面；
parent：父设备，一般为 NULL，也就是没有父设备；
devt：设备号；
drvdata：设备可能会使用的一些数据，一般为 NULL；
fmt：设备名字，如果设置 fmt=xxx 的话，就会生成/dev/xxx 这个设备文件；

返回值：创建好的设备

删除设备时调用：

void device_destroy(struct class *class, dev_t devt) //注销device

udev工作过程如下：
（1）当内核检测到系统中出现新设备后，内核会通过netlink套接字发送uevent;
（2）设备模块加载时udev获取内核发送的信息，扫描/sys/class/下的设备目录进行规则匹配。从而在/dev/创建设备节点；

2.3.3 自动创建设备节点示例

static struct class *class;		/* 类 		*/
static struct device *device;	/* 设备		*//* 4、创建类 */class = class_create(THIS_MODULE, "test");	///sys/class/目录下会创建一个新的文件夹if (IS_ERR(class)) {return PTR_ERR(class);}/* 5、创建设备 */device = device_create(class, NULL, devid, NULL, "test");//dev目录下创建相应的设备节点if (IS_ERR(device)) {return PTR_ERR(device);}

二、字符设备示例

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>static dev_t devid;						/* 设备号	*/
static int major;						/* 主设备号	*/
static int minor;						/* 次设备号	*/
static struct cdev cdev;				/* cdev		*/
static struct class *class;				/* 类 		*/
static struct device *device;			/* 设备		*/#define CDEV_CNT		1		  		/* 设备号个数 */
#define CDEV_NAME		"cdev_test"		/* 名字 */static int chardev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{//filp->private_data = &cdev_data;  /* 设置私有数据 */printk("open...\n");return 0;
}static ssize_t chardev_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{printk("read...\n");return 0;
}static ssize_t chardev_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{printk("write...\n");return cnt;
}static int chardev_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{printk("release...\n");return 0;
}/* 设备操作函数 */
static struct file_operations chardev_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = chardev_open,.read = chardev_read,.write = chardev_write,.release = 	chardev_release,
};/* 入口函数 */
static int __init chardev_init(void)
{
/* 注册字符设备驱动 *//* 1、创建设备号 */if (major) { /* 定义了设备号 */devid = MKDEV(major, 0);register_chrdev_region(devid, CDEV_CNT, CDEV_NAME);} else { /* 没有定义设备号 */alloc_chrdev_region(&devid, 0, CDEV_CNT, CDEV_NAME); /* 申请设备号 */major = MAJOR(devid); /* 获取分配号的主设备号 */minor = MINOR(devid); /* 获取分配号的次设备号 */}printk("major=%d, minor=%d\r\n", major, minor);/* 2、初始化 cdev */cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&cdev, &chardev_fops);				//file_operations/* 3、添加一个 cdev */cdev_add(&cdev, devid, CDEV_CNT);/* 4、创建类 */class = class_create(THIS_MODULE, CDEV_NAME);	///sys/class/目录下会创建一个新的文件夹if (IS_ERR(class)) {return PTR_ERR(class);}/* 5、创建设备 */device = device_create(class, NULL, devid, NULL, CDEV_NAME);//dev目录下创建相应的设备节点if (IS_ERR(device)) {return PTR_ERR(device);}return 0;
}/* 出口函数 */
static void __exit chardev_exit(void)
{/* 注销字符设备驱动 */cdev_del(&cdev); /* 删除 cdev */unregister_chrdev_region(devid, CDEV_CNT); /* 注销 */device_destroy(class, devid);class_destroy(class);
}module_init(chardev_init);
module_exit(chardev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("donga");

本示例read、write函数只打印信息演示作用。在实际使用中，read函数通常会调用 copy_to_user 将内核空间的数据拷贝到用户空间，write函数则调用 copy_from_user 将用户空间数据拷贝到内核空间，再做处理。

1、命令测试

$ insmod chardev_drv.ko #加载驱动，生成/dev/cdev_test设备节点

$ cat /proc/devices #查看字符设备

$ cat /dev/cdev_test #读

$ echo "1" > /dev/cdev_test #写

/ # cat /dev/cdev_test #读，过程：open->read->release
open...
read...
release...

/ # echo "1" > /dev/cdev_test #写，过程：open->write->release
open...
write...
release...

2、应用程序读写

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"int main(int argc, char *argv[])
{int fd, retvalue;char *filename;if(argc != 2){printf("Error Usage!\r\n");return -1;}filename = argv[1];fd = open(filename, O_RDWR);    //打开设备文件if(fd < 0){printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);return -1;}write(fd, NULL, 0);       //写read(fd, NULL, 0);        //读retvalue = close(fd);     //关闭文件if(retvalue < 0){printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);return -1;}return 0;
}

执行过程：