Linux第66步_linux字符设备驱动

1、了解linux中的驱动类型:

1)、字符设备驱动

字符设备是limnux驱动中最基本的一类设备驱动，字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。如：GPIO输入输出、UART、I2C、SPI、USB、LCD、音频等都属于字符设备驱动。

2)、块设备驱动

块设备驱动就是存储器设备的驱动，比如EMMC、NAND、SD卡和U盘等存储设备，因为这些存储设备的特点是以存储块为基础,因此叫做“块设备”。

3)、网络设备驱动网络设备就是网络驱动，不管是有线的，还是无线的，都属于网络设备驱动的范畴。

注意：

一个设备可以属于多种设备驱动类型，比如：USB WIFI，其使用USB接口，所以属于字符设备，但是其又能上网，所以它又属于网络设备驱动。

2、了解Limux应用程序调用驱动程序的流程

在Linux中一切皆为文件。驱动加载成功以后会在“/dev”目录下生成一个相应的驱动文件，如“xxx”的驱动文件名。应用程序通过对“/dev/xxx”的文件进行相应的操作，就可实现对硬件的操作。比如：现在有个叫做“/dev/led ”的驱动文件，它是1ed灯的驱动文件。应用程序使用“open函数”打开驱动文件“/dev/led ”,然后使用“close函数”关闭驱动文件“/dev/led”。open和close 就是打开和关闭led驱动的函数，如果要点亮或关闭1ed，那么就使用write函数来操作，也就是向此驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是要打开led的控制参数。如果要获取led灯的状态，就用read函数从驱动中读取相应的状态。应用程序运行在用户空间，而limux驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。当我们在用户空间想要实现对内核进行操作，比如使用open函数打开/dev/led这个驱动，因为用户空间不能直接对内核进行操作，因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间“陷入”到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。open、close、write和read等这些函数是由C库提供的，在Limux系统中，系统调用作为C库的一部分。

我们重点关注的时应用程序调用的函数和驱动调用的函数，至于C库和内核调用的函数，我们不用去关心。

3、了解“file_operations”结构体

打开虚拟机上“VSCode”，点击“文件”，点击“打开文件夹”，点击“zgq”，点击“linux”，点击“atk-mp1”，点击“linux”，点击“my_linux”，点击“linux-5.4.31”，见下图：

点击“确定”

点击“查看”，点击“搜索”，输入“struct file_operations”

随便点击其中一个“struct file_operations”，得到下面的界面：

在“file_operations”点击“鼠标右键”，点击“转到定义”，见下图：

得到下图：

字符设备驱动重点是“file_operations”结构体

“fs.h”定义“file_operations”结构体如下：

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 (*iopoll)(struct kiocb *kiocb, bool spin);

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_MMU

unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);

#endif

ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,

loff_t, size_t, unsigned int);

loff_t (*remap_file_range)(struct file *file_in, loff_t pos_in,

struct file *file_out, loff_t pos_out,

loff_t len, unsigned int remap_flags);

int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);

} __randomize_layout;

/* 设备操作函数结构体 */

static struct file_operations chrdevbase_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.open = chrdevbase_open,

.read = chrdevbase_read,

.write = chrdevbase_write,

.release = chrdevbase_release,

};

4、了解“linux-5.4.31”中的驱动

下面我们通过“crc-vpmsum_test.c”来学习linux驱动的编写:

1)、点击“转到”，点击“转到文件”，在输入框中输入“crc-vpmsum_test.c”，按“回车键”打开“crc-vpmsum_test.c”

见下图：

“crc-vpmsum_test.c”内容如下：

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0-only

* CRC vpmsum tester

#include <linux/crc-t10dif.h>

#include <linux/crc32.h>

#include <crypto/internal/hash.h>

#include <linux/init.h> //必须要包含的头文件

#include <linux/module.h> //必须要包含的头文件

#include <linux/string.h> //下面要用到字符串，显然也要包含

#include <linux/kernel.h> //必须要包含的头文件

#include <linux/cpufeature.h>

#include <asm/switch_to.h>

static unsigned long iterations = 10000;

#define MAX_CRC_LENGTH 65535

/*入口函数初始化*/

static int __init crc_test_init(void)

{

u16 crc16 = 0, verify16 = 0;

u32 crc32 = 0, verify32 = 0;

__le32 verify32le = 0;

unsigned char *data;

unsigned long i;

int ret;

struct crypto_shash *crct10dif_tfm;

struct crypto_shash *crc32c_tfm;

if (!cpu_has_feature(CPU_FTR_ARCH_207S))

return -ENODEV;

data = kmalloc(MAX_CRC_LENGTH, GFP_KERNEL);

if (!data)

return -ENOMEM;

crct10dif_tfm = crypto_alloc_shash("crct10dif", 0, 0);

if (IS_ERR(crct10dif_tfm)) {

pr_err("Error allocating crc-t10dif\n");

goto free_buf;

}

crc32c_tfm = crypto_alloc_shash("crc32c", 0, 0);

if (IS_ERR(crc32c_tfm)) {

pr_err("Error allocating crc32c\n");

goto free_16;

}

do {

SHASH_DESC_ON_STACK(crct10dif_shash, crct10dif_tfm);

SHASH_DESC_ON_STACK(crc32c_shash, crc32c_tfm);

crct10dif_shash->tfm = crct10dif_tfm;

ret = crypto_shash_init(crct10dif_shash);

if (ret) {

pr_err("Error initing crc-t10dif\n");

goto free_32;

}

crc32c_shash->tfm = crc32c_tfm;

ret = crypto_shash_init(crc32c_shash);

if (ret) {

pr_err("Error initing crc32c\n");

goto free_32;

}

pr_info("crc-vpmsum_test begins, %lu iterations\n", iterations);

for (i=0; i<iterations; i++) {

size_t offset = prandom_u32_max(16);

size_t len = prandom_u32_max(MAX_CRC_LENGTH);

if (len <= offset)

continue;

prandom_bytes(data, len);

len -= offset;

crypto_shash_update(crct10dif_shash, data+offset, len);

crypto_shash_final(crct10dif_shash, (u8 *)(&crc16));

verify16 = crc_t10dif_generic(verify16, data+offset, len);

if (crc16 != verify16) {

pr_err("FAILURE in CRC16: got 0x%04x expected 0x%04x (len %lu)\n",

crc16, verify16, len);

break;

}

crypto_shash_update(crc32c_shash, data+offset, len);

crypto_shash_final(crc32c_shash, (u8 *)(&crc32));

verify32 = le32_to_cpu(verify32le);

verify32le = ~cpu_to_le32(__crc32c_le(~verify32, data+offset, len));

if (crc32 != (u32)verify32le) {

pr_err("FAILURE in CRC32: got 0x%08x expected 0x%08x (len %lu)\n",

crc32, verify32, len);

break;

}

pr_info("crc-vpmsum_test done, completed %lu iterations\n", i);

} while (0);

free_32:

crypto_free_shash(crc32c_tfm);

free_16:

crypto_free_shash(crct10dif_tfm);

free_buf:

kfree(data);

return 0;

}

/*出口函数初始化*/

static void __exit crc_test_exit(void) {}

module_init(crc_test_init);/*将crc_test_init()指定为入口函数*/

module_exit(crc_test_exit); /*将crc_test_exit()指定为出口函数*/

module_param(iterations, long, 0400);

MODULE_AUTHOR("Daniel Axtens <dja@axtens.net>");//添加作者名字

MODULE_DESCRIPTION("Vector polynomial multiply-sum CRC tester");

//从字面意思上看，指的是模块介绍

MODULE_LICENSE("GPL");//LICENSE采用“GPL协议”

上面的程序用到“pr_err()和pr_info()”，通过查找，它们都是调用“printk()”，内容如下：

#define pr_err(fmt, ...) \

printk(KERN_ERR pr_fmt(fmt), ##__VA_ARGS__)

#define pr_info(fmt, ...) \

printk(KERN_INFO pr_fmt(fmt), ##__VA_ARGS__)

因此，我们知道linux的串口输出是调用printk()来实现的，相当于C语言的printf()函数。

Linux驱动的运行方式：

1)、将驱动源码编译进Linux内核中，生成uImage/zImage系统镜像里面。

2)、将驱动源码编译成模块，生成以“.ko”结尾的文件，然后在Linux内核里加载驱动模块。也可以编译进内核，最终集成到uImage里面。

4、加载模块使用modprobe命令，卸载模块使用insmod命令

比如执行“insmod drv.ko”加载“drv.ko”模块，由于drv.ko模块需要依赖first.ko模块，因此，要先执行“insmod first.ko”，然后再执行“insmod drv.ko”，才可以加载。而执行“modprobe drv.ko”加载“drv.ko”模块，它会分析first.ko和drv.ko模块之间的依赖关系，自动将“first.ko和drv.ko”加载到内核中。因此加载驱动使用modprobe命令。

在卸载的时候，执行“rmmod drv.ko”就可以卸载了，而modprobe命令在分析出“first.ko和drv.ko”模块之间有依赖关系，若first.ko被其它模块使用le，就不能执行“modprobe -r drv”；若first.ko没有被其它模块使用，就可以执行“modprobe -r drv”；。因此卸载模块使用insmod命令。

注意：

Limnux kemnel的版本号为5.4.31，modprobe命令就会到“/lib/modules/5.4.31”目录中去查找相应的驱动模块，因此我们需要将编写好的驱动会放到“/lib/modules/5.4.31”目录中。

5、通过“crc-vpmsum_test.c”学习，我们仿写一个驱动，命名为My_TestDriver.c。

1)、创建“/home/zgq/linux/Linux_Drivers/00_My_TestDriver/”目录

输入“cd /home/zgq/linux/Linux_Drivers/”

切换到“/home/zgq/linux/Linux_Drivers/”目录

输入“mkdir 00_My_TestDriver”

创建“/home/zgq/linux/Linux_Drivers/00_My_TestDriver/”目录

输入“ls”，查询“/home/zgq/linux/Linux_Drivers/”目录下的文件和文件夹

输入“cd 00_My_TestDriver/”

切换到“/home/zgq/linux/Linux_Drivers/00_My_TestDriver/”目录

输入“vi My_TestDriver.c”打开“My_TestDriver.c”

输入内容如下：

#include <linux/init.h> //必须要包含的头文件

#include <linux/module.h> //必须要包含的头文件

#include <linux/string.h> //下面要用到字符串，显然也要包含

#include <linux/kernel.h> //必须要包含的头文件

/*入口函数初始化*/

static int __init My_TestDriver_init(void)

{

int ret = 0;

printk("My_TestDriver_init\r\n");

return ret;

}

/*出口函数初始化*/

static void __exit My_TestDriver_exit(void)

{

printk("My_TestDriver_exit\r\n");

}

module_init(My_TestDriver_init);/*将My_TestDriver_init()指定为入口函数*/

module_exit(My_TestDriver_exit); /*将My_TestDriver_exit()指定为出口函数*/

MODULE_AUTHOR("Zhanggong");//添加作者名字

MODULE_DESCRIPTION("This is test module!");//模块介绍

MODULE_LICENSE("GPL");//LICENSE采用“GPL协议”

MODULE_INFO(intree,"Y");//去处显示“loading out-of-tree module taints kernel.”

按“ESC键”，输入“:wq回车”

输入“vim Makefile”

添加内容如下：

KERNELDIR := /home/zgq/linux/atk-mp1/linux/my_linux/linux-5.4.31

#使用“:=”将其后面的字符串赋值给KERNELDIR

CURRENT_PATH := $(shell pwd)

#采用“shell pwd”获取当前打开的路径

#使用“$(变量名)”引用“变量的值”

obj-m := My_TestDriver.o

#生成“obj-m”需要依赖“My_TestDriver.o”

build: kernel_modules

#生成“build”需要依赖“kernel_modules”

@echo $(KERNELDIR)
#输出KERNELDIR的值为“/home/zgq/linux/atk-mp1/linux/linux-5.4.31”
@echo $(CURRENT_PATH)
#输出CURRENT_PATH的值为/home/zgq/linux/Linux_Drivers/00_My_TestDriver”
@echo $(MAKE)
#输出MAKE的值为make

kernel_modules:

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules

#后面的"modules"表示编译成模块

#“KERNELDIR”上面定义为“/home/zgq/linux/atk-mp1/linux/my_linux/linux-5.4.31”，即“指定的工作目录”

#“CURRENT_PATH”上面定义为“当前的工作目录”

#“-C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) ”表示将“当前的工作目录”切换到“指定的目录”中

#即切换到“/home/zgq/linux/atk-mp1/linux/my_linux/linux-5.4.31”。

#M表示模块源码目录

#在“make和modules”之间加入“M=$(CURRENT_PATH)”，表示切换到由“CURRENT_PATH”指定的目录中读取源码，同时将其编>译为.ko 文件

clean:

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

#“KERNELDIR”上面定义为“/home/zgq/linux/atk-mp1/linux/my_linux/linux-5.4.31”，即“指定的工作目录”