Linux字符设备驱动开发一

应用程序调用文件系统的API(open、close、read、write) -> 文件系统根据访问的设备类型，调用对应设备的驱动API -> 驱动对硬件进行操作。

0 驱动介绍

驱动类型:

1. 字符设备驱动：以一个字节一个字节读写的硬件对应的驱动。比如串口、watchdog、rtc、鼠标、触摸屏等。字符设备必须以串行顺序依次进行访问。
2. 块设备驱动：以一个扇区一个扇区（512kb、4096kb）读写的硬件对应的驱动。比如硬盘。块设备可以按任意顺序进行访问。
3. 网络设备驱动：走内核里的协议栈内存。比如网卡驱动、can驱动。网络设备面向数据包的接收和发送而设计。

除网络设备外，字符设备与块设备都被映射到Linux文件系统的文件和目录，通过文件系统的系统调用接口open()、write()、read()、close()等即可访问字符设备和块设备。

驱动的动态加载和静态加载区别：

1. 编译方式不同：静态加载–obj-y，动态加载–obj-m
2. 存在位置不同：静态加载，则直接编译到linux内核镜像中uimag；动态加载，则是独立的ko，驱动代码不在内核镜像中，而是独立存在于文件系统中
3. 加载时机不同：静态加载，内核启动时就加载；动态加载，在系统启动的时候首先uboot的启动，然后linux内核启动，最后文件系统启动。静态加载，随linux内核一起加载启动，动态加载则需要等文件系统启动后手动insmod加载。

动态加载优势：

1. 实现热插拔机制：硬件要实现热插拔，则驱动必须使用动态加载。设备插入时，加载驱动；设备移除时，卸载驱动。
2. 驱动调试：调试更方便。单独编译驱动，通过insmod、rmmod加载和卸载进行单独调试。
3. 开机优化：有的驱动加载非常耗时，影响设备启动速度。动态加载，可以等用户的图形界面起来后，再加载驱动，让用户感觉系统启动速度加快了。

1 字符设备驱动

字符设备必须以串行顺序依次进行访问，常见的字符设备：串口、watchdog、rtc、鼠标、触摸屏等。字符设备的读写以字节为单位。

1.1 字符设备相关概念和结构体

了解字符设备相关概念和结构体，为之后阅读字符设备驱动代码打下坚实基础。

1 设备号dev_t：类似一个人的身份证号。内核中通过dev_t来描述设备号，其实质是unsigned int 32位整数，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号。

• 为每一个外设设置一个独一无二的ID，让内核能够区分每一个设备。
• 高12区分不同类别的设备
• 低20位，区分同一类别的不同设备

linux如何为每一个设备生成设备号呢？
可以是驱动自行构造一个设备号，然后调用函数register_chrdev_region向内核注册。如果注册成功，该函数返回0；注册失败，返回一个负数，就不能用这个设备号。

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
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2 设备描述cdev、file_operations：
一个linux设备，需要通过cdev结构体来描述设备信息，通过file_operations来描述如何操作设备。最后要通过cdev_add函数来注册设备，让linux内核知道这个设备。

/*设备信息的描述*/
struct cdev {
    struct kobject kobj; /**/
    struct module *owner;
    const struct file_operations *ops; /*一组函数集*/
    struct list_head list; /*链表*/
    dev_t dev; /*设备号*/
    unsigned int count; /*已支持的设备*/
}

/*设备行为的描述：驱动设备开发，就要实现这些函数*/
struct file_operations {
	struct module *owner;
	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    ...
};

/*相关注册函数*/
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);
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1.2 实现简单的字符设备模块

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/fs.h>
#define OK (0)
#define ERROR (-1)
#define DEV_NUM (10)

/*
 创建设备ID:MKDEV
 注册设备ID:
 给设备行为结构体的成员函数赋值
 初始化设备：建立设备行为结构体file_operations和设备信息结构体cdev的关系；
 添加设备：向内核注册设备，使内核知道设备，建立设备ID和设备信息cdev的关系；
 加载设备：insmod
 创建设备文件：建立设备文件与设备ID的关系:mknod /dev/my_chr_dev c 232 0
 测试设备行为结构体的成员函数功能
*/

dev_t g_dev_num; /*设备号*/
struct cdev *g_cdev; /*设备信息*/
struct file_operations *g_fops; /*设备行为信息*/
const int g_major = 232; /*主设备号*/
const int g_minor = 0; /*次设备号*/
unsigned g_dev_count = 3;
const char g_dev_name[] = "my_char_dev"; /*设备名称，内核管理用的，随便写*/

ssize_t my_dev_read(struct file *my_file, char __user *my_user, size_t my_size, loff_t *my_loff)
{
    printk(KERN_EMERG "read my dev success\n");
    return OK;
}

ssize_t my_dev_write(struct file *my_file, const char __user *my_user, size_t my_size, loff_t *my_loff)
{
    printk(KERN_EMERG "write my dev success\n");
    return OK;
}

int my_dev_open(struct inode *my_inode, struct file *my_file)
{
    printk(KERN_EMERG "open my dev success\n");
    return OK;
}

int my_dev_release(struct inode *my_inode, struct file *my_file)
{
    printk(KERN_EMERG "release my dev success\n");
    return OK;
}

static int __init chr_init(void)
{
    g_dev_num = MKDEV(g_major, g_minor); /*生成设备号*/
    printk("dev id:%d\n", g_dev_num);

    /*注册设备号*/
    if (register_chrdev_region(g_dev_num, g_dev_count, g_dev_name) != 0) {
        printk(KERN_EMERG "register dev id failed\n");
        return ERROR;
    }

    /*内核函数：自动生成设备函数， 避免自定义设备号冲突，导致注册失败
    if (alloc_chrdev_region(&g_dev_num, g_major, g_dev_count, g_dev_name) != OK) {
        printk(KERN_EMERG "register dev id failed\n");
        return ERROR;
    }
    */

   /*为设备信息结构体cdev和设备行为结构体file_operations申请内存；kzalloc相比kmalloc,会将申请的内存地址置为0，*/
    g_cdev = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);
    g_fops = kzalloc(sizeof(struct file_operations), GFP_KERNEL);

    /*为设备行为结构体成员函数赋值*/
    g_fops->read = my_dev_read;
    g_fops->write = my_dev_write;
    g_fops->open = my_dev_open;
    g_fops->release = my_dev_release;
    g_fops->owner = THIS_MODULE; /*一般就赋值为THIS_MODULE宏*/

    cdev_init(g_cdev, g_fops); /*初始化设备：建立cdev和file_operations的联系*/
    cdev_add(g_cdev, g_dev_num, g_dev_count); /*向内核注册设备：建立cdev和设备号的联系*/
    printk(KERN_EMERG "add my_chr_dev success\n");
    return OK;
}

static void __exit chr_exit(void)
{
    cdev_del(g_cdev); /*删除设备*/
    unregister_chrdev_region(g_dev_num, g_dev_count); /*注销设备号*/
    printk(KERN_EMERG "unregister my_chr_dev success\n");
}

module_init(chr_init);
module_exit(chr_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

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make编译模块后，insmod my_chr_dev加载字符设备驱动。
makefile文件解读:

• ifneq，首先判断是否定义了内核宏，第一次执行由于没有定义内核宏，先执行else分支，然后执行all。
• make -C，切换到内核目录内，-M指定编译的模块。此时进入-M指定的模块内，再次执行makefile文件。
• 此时，内核宏定义了，执行if分支，编译内核模块。

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
  obj-m := my_chr_dev.o
else
  KERDIR ?="/lib/modules/$(shell uname -r)"/build
  PWD := $(shell pwd)

all:
	$(MAKE) -C $(KERDIR) M=$(PWD)
clean:
	rm -rf *.o *.ko *mod.c 9.module.o *.order
endif
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1.3 创建字符设备

mknod /dev/my_chr_dev c 232 0，232 0为主、次设备号。

• mknod，实际上就是建立设备文件my_chr_dev与设备号232 0之间的联系。

驱动测试程序：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h> /*O_RDWR*/
#include <unistd.h> /*read open write close usleep*/
#define DATA_NUM (10)

int main()
{
    int fd;
    int wd, rd;
    char my_buffer[DATA_NUM] = "12345";
    fd = open("/dev/my_chr_dev", O_RDWR);
    printf("fd=%d\n", fd);
    if (fd == -1){
        printf("open failed\n");
        return -1;
    }
    wd = write(fd, my_buffer, DATA_NUM);
    rd = read(fd, my_buffer, DATA_NUM);
    printf("wd=%d, rd=%d\n", wd, rd);
    return 0;
}
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该程序用于测试驱动程序的open、write、read、release。编译执行该驱动程序后，执行dmesg，可以查看内核调用驱动程序对应的open、write、read、release函数时日志信息。

1.4 总结

开发字符设备驱动主要有7步：

1. 创建设备号MKDEV、注册设备号register_chrdev_region;
2. 编写设备行为结构体的成员函数：成员函数实现硬件的open/close/read/write等操作。
3. 建立设备信息结构体cdev与设备行为结构体file_operations之间的联系：cdev_init。
4. 向内核注册设备，建立设备信息结构体与设备号之间的联系：cdev_add。
5. make编译、insmod加载设备驱动。
6. 创建设备文件，建立设备文件与设备号之间的联系：mknod /dev/chrDev c 主设备号 次设备号。
7. 编写测试脚本，测试驱动程序的open/close/read/write功能。