Linux之字符设备驱动框架
目录
一、驱动介绍
1.内核模块
2.日志级别
3.模块符号的导出
4.内核模块参数
二、字符设备驱动(一)
1.模块加载
2.注册字符设备驱动
3.内存映射
三、字符设备驱动(二)
1.模块加载
2.申请设备号
3.注册字符设备
4.自动创建设备节点
5.文件私有数据
总结
前言
一、驱动介绍
Linux驱动属于内核的一部分,学习驱动开发时将驱动设计为内核模块,内核模块是一种可以在系统运行时加载和卸载的机制。
内核编程的注意事项
1.不能使用C标准库和C标准头文件
2.使用GNU C
3.没有内存保护机制
4.不能处理浮点运算
5.注意并发互斥和可移植性问题
1.内核模块
Linux 驱动有两种运行方式,第一种是将驱动编译进 Linux 内核中,当 Linux 内核启动的时就会自动运行驱动程序。第二种是将驱动编译成模块(Linux 下模块扩展名为.ko),在Linux 内核启动以后使用insmod或者modprobe命令加载驱动模块。在调试驱动的时候一般都选择将其编译为模块。
模块的加载和卸载注册函数如下
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h> //需要包含头文件module_init(xxx_init); //注册模块加载函数
module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数
module_init 函数用来向 Linux 内核注册一个模块加载函数,参数 xxx_init 就是需要注册的具体函数,当使用insmod命令加载驱动的时候, xxx_init 这个函数就会被调用。 module_exit()函数用来向 Linux 内核注册一个模块卸载函数,参数 xxx_exit 就是需要注册的具体函数,当使用“rmmod”命令卸载具体驱动的时候 xxx_exit 函数就会被调用。
字符设备驱动模块加载和卸载模板如下所示:
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>/* 驱动入口函数 */
static int __init xxx_init(void)
{/* 入口函数具体内容 */return 0;
}/* 驱动出口函数 */
static void __exit xxx_exit(void)
{/* 出口函数具体内容 */
}/* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit)MODULE_LICENSE("GPL");//GPL模块许可证
注:在编写模块时必须加上模块许可证,防止内核被污染,造成某些功能无法使用。
驱动编译完成以后扩展名为.ko,有两种命令可以加载驱动模块: insmod和 modprobe。
insmod drv.ko //加载驱动模块
rmmod drv.ko //卸载驱动模块
modprobe drv.ko //加载或者卸载驱动模块
区别:insmod 命令不能解决模块的依赖关系,但是 modprobe 不会存在这个问题, modprobe 会分析模块的依赖关系,然后会将所有的依赖模块都加载到内核中。比如 drv.ko 依赖 first.ko 这个模块,就必须先使用insmod 命令加载 first.ko 这个模块,然后再加载 drv.ko 这个模块。
modprobe 命令主要智能在提供了模块的依赖性分析、错误检查、错误报告等功能,推荐使用modprobe 命令来加载驱动。 modprobe 命令默认会去/lib/modules/<kernel-version>目录中查找模块。
同时 modprobe 命令也可以卸载掉驱动模块所依赖的其他模块,前提是这些依赖模块已经没有被其他模块所使用,否则就不能使用 modprobe 来卸载驱动模块。所以对于模块的卸载,推荐使用 rmmod 命令。
2.日志级别
printk在内核中用来记录日志信息的函数,只能在内核源码范围内使用。和printf非常相似。printk函数主要做两件事情:①将信息记录到log中 ②调用控制台驱动来将信息输出。
#define KERN_EMERG "<0>" /*系统不可用*/
#define KERN_ALERT "<1>" /*必须立即处理的错误信息*/
#define KERN_CRIT "<2>" /*严重错误信息*/
#define KERN_ERR "<3>" /*错误信息*/
#define KERN_WARNING "<4>" /*警告信息*/
#define KERN_NOTICE "<5>" /*需要注意的信息*/
#define KERN_INFO "<6>" /*一般信息*/
#define KERN_DEBUG "<7>" /*调试信息*/
printk(KERN_DEBUG"debug\r\n");
printk打印的内容是否显示取决于日志级别,只有当printk的日志级别高于内核默认打印级别时才打印(打印日志级别数值小于内核默认打印级别)。数字越小,优先级越高。
若是printk不提供打印级别使用默认打印级别,可以通过查看/proc/sys/kernel/printk来查看,第二个数字就是printk的默认打印级别。
而/proc/sys/kernel/printk中的第一个数字就是内核默认打印级别,可以通过uboot的环境变量bootargs传递内核默认打印级别。在uboot的bootargs中加入loglevel=X指令。
内核的默认打印级别修改为8。
3.模块符号的导出
模块导出符号可以将模块中的变量/函数导出,供内核其他代码/模块使用。 内核中提供了相应的宏来实现模块的导出:
EXPORT_SYMBOL -------------- 使用无限制
EXPORT_SYMBOL_GPL ---------- 只有遵循GPL协议的代码才可以使用
需注意的是, 如果一个模块使用了另一个模块的 变量/函数,该模块依赖于另一个模块,加载模块时必须先加载依赖的模块,如果一个模块被内核使用,该模块不得卸载。
4.内核模块参数
内核的模块参数不但可以在编写代码时设置其的值, 还可以在加载模块时设置其的值,甚至可以再加载模块后修改其的值。在模块中声明一些变量,使用以下语法将这些变量设置为模块参数:
module_param(模块参数名,模块参数类型,访问权限);
module_param_array(数组模块参数名,数组元素类型,NULL,访问权限);
在代码其他地方使用模块参数和使用普通变量没有区别。加载模块时可以通过 "模块参数名=值" 的方式来修改模块参数的值。当模块加载成功后,访问权限非0的模块参数就会出现在以下路径下 /sys/module/模块名/parameters 存在和模块参数名相同的文件,这些文件的权限来自于模块参数的权限,内容来自于模块参数的值。同时也可以通过修改文件中保存的数据来修改对应模块参数。
二、字符设备驱动(一)
驱动是沟通底层硬件和上层应用的桥梁,访问设备文件通过文件系统IO,在用户层访问设备文件和访问普通文件没有区别。
1.模块加载
模块加载和卸载模板:
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>/* 驱动入口函数 */
static int __init xxx_init(void)
{/* 入口函数具体内容 */return 0;
}/* 驱动出口函数 */
static void __exit xxx_exit(void)
{/* 出口函数具体内容 */
}/* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit)MODULE_LICENSE("GPL");//GPL模块许可证
2.注册字符设备驱动
对于字符设备驱动而言,当驱动模块加载成功以后需要注册字符设备。卸载驱动模块的时也需要注销掉字符设备。
字符设备的注册和注销函数原型:
static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
const struct file_operations *fops)static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)
register_chrdev 函数用于注册字符设备,需要传入主设备号,设备名称和指向设备操作函数集合变量。这种注册函数会将后面所有的次设备号全部占用,而且主设备号需要我们自己去设置,现在不推荐这样使用。一般字符设备的注册在驱动模块的入口函数 xxx_init 中进行,字符设备的注销在驱动模块的出口函数 xxx_exit 中进行。
/** @description : 打开设备* @param - inode : 传递给驱动的inode* @param - filp : 设备文件,file结构体有个叫做private_data的成员变量* 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。* @return : 0 成功;其他 失败*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}/** @description : 从设备读取数据 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区* @param - cnt : 要读取的数据长度* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移* @return : 读取的字节数,如果为负值,表示读取失败*/
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{return 0;
}/** @description : 向设备写数据 * @param - filp : 设备文件,表示打开的文件描述符* @param - buf : 要写给设备写入的数据* @param - cnt : 要写入的数据长度* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移* @return : 写入的字节数,如果为负值,表示写入失败*/
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{return 0;
}/** @description : 关闭/释放设备* @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)* @return : 0 成功;其他 失败*/
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}//设备操作函数
static struct file_operations led_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = led_open,.read = led_read,.write = led_write,.release = led_release,
};//驱动入口函数
static int __init led_init(void)
{int retvalue = 0;/*注册字符设备驱动 */retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);if(retvalue < 0){printk("register chrdev failed!\r\n");return -EIO;}return 0;
}
//驱动出口函数
static void __exit led_exit(void)
{/* 注销字符设备驱动 */unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
3.内存映射
在Linux中不能直接访问寄存器,要想要操作寄存器需要完成物理地址到虚拟空间的映射。
#include <linux/io.h>
#include <mach/platform.h>#define ioremap(cookie,size) __arm_ioremap((cookie), (size),
MT_DEVICE)void __iomem * __arm_ioremap(phys_addr_t phys_addr, size_t size,
unsigned int mtype)
{return arch_ioremap_caller(phys_addr, size, mtype,__builtin_return_address(0));
}
返回值: __iomem 类型的指针,指向映射后的虚拟空间首地址。
建立映射:映射的虚拟地址 = ioremap(IO内存起始地址,映射长度);一旦映射成功,访问对应的虚拟地址就相当于访问对应的IO内存 。
void iounmap (volatile void __iomem *addr)
/* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE (0X020C406C) /* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;/* 寄存器地址映射 */
IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
if(IS_ERR_OR_NULL(IMX6U_CCM_CCGR1))
{//...
}
解除映射:
void iounmap (volatile void __iomem *addr)iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
内存映射后,就可以通过I/O 内存访问函数对寄存器进行相应的操作,和裸机开发那部分差不多一样。编写完成后,在写应用测试程序,但是在测试的时候需要手动创建设备文件,对应开发非常不方便。以上就是一个最简单的字符设备驱动框架。
三、字符设备驱动(二)
前面的字符设备驱动框架比较简单,不灵活。不仅需要设定主设备号,在测试时还需要手动创建设备文件。新字符设备驱动框架刚好能解决这两个大问题。
1.模块加载
这一步和前面是一样的。
2.申请设备号
前面设备号的申请是开发者检查当前系统中所有被使用了的设备号,然后挑选一个没有使用的设备号给驱动。这样很不方便。Linux 社区推荐使用动态分配设备号,在注册字符设备之前先申请一个设备号,系统会自动给你一个没有被使用的设备号。
动态申请设备号:
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
dev:保存申请到的设备号。
baseminor: 次设备号起始地址,该函数可以申请一段连续的多个设备号,初始值一般为0
count: 要申请的设备号数量。
name:设备名字。
静态申请设备号
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
from - 要申请的起始设备号
count - 设备号个数
name - 设备号在内核中的名称
返回0申请成功,否则失败
注销字符设备之后要释放掉设备号,设备号释放函数
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
from:要释放的设备号。
count: 表示从 from 开始,要释放的设备号数量。
新字符设备驱动模板:
//创建设备号
if (newchrled.major) //定义了设备号就静态申请
{ newchrled.devid = MKDEV(newchrled.major, 0);register_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);
}
else //没有定义设备号就动态申请
{ alloc_chrdev_region(&newchrled.devid, 0, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);//申请设备号 newchrled.major = MAJOR(newchrled.devid); //获取分配号的主设备号newchrled.minor = MINOR(newchrled.devid); // 获取分配号的次设备号
}
3.注册字符设备
在 Linux 中使用 cdev 结构体表示一个字符设备, cdev 结构体在 include/linux/cdev.h 文件中的定义如下
struct cdev {struct kobject kobj;struct module *owner;const struct file_operations *ops;//操作函数集合struct list_head list;dev_t dev;//设备号unsigned int count;
};
在 cdev 中有两个重要的成员变量:ops 和 dev,字符设备文件操作函数集合file_operations 以及设备号 dev_t。
向Linux内核添加字符设备
①初始化cdev结构体变量
定义好 cdev 变量以后就要使用 cdev_init 函数对其进行初始化, cdev_init 函数原型如下:
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops);
参数 cdev 就是要初始化的 cdev 结构体变量,参数 fops 就是字符设备文件操作函数集合。
struct cdev testcdev;//设备操作函数
static struct file_operations test_fops = {.owner = THIS_MODULE,//其他具体的初始项
};testcdev.owner = THIS_MODULE;//初始化 cdev 结构体变量
cdev_init(&testcdev, &test_fops);
② 将设备添加到内核
cdev_add 函数用于向 Linux 系统添加字符设备(cdev 结构体变量),首先使用 cdev_init 函数完成对 cdev 结构体变量的初始化,然后使用 cdev_add 函数向 Linux 系统添加这个字符设备。
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
p - 要添加的cdev结构
dev - 绑定的起始设备号
count - 设备号个数
cdev_add(&testcdev, devid, 1); //添加字符设备
将cdev添加到内核同时绑定设备号。
其实这里申请设备号和注册设备在第一中驱动中直接使用register_chrdev函数完成者两步操作。卸载也是一样的。
卸载驱动的时候一定要使用 cdev_del 函数从 Linux 内核中删除相应的字符设备
void cdev_del(struct cdev *p);cdev_del(&testcdev); //删除 cdev
4.自动创建设备节点
上面的驱动框架,当使用 modprobe 加载驱动程序以后还需要使用命令mknod手动创建设备节点。在驱动中实现自动创建设备节点的功能以后,使用 modprobe 加载驱动模块成功的话就会自在/dev 目录下创建对应的设备文件。
在 Linux 下通过 udev 来实现设备文件的创建与删除,但是在嵌入式 Linux 中使用mdev 来实现设备节点文件的自动创建与删除, Linux 系统中的热插拔事件也由 mdev 管理。具体关于mdev和udev可以参考前面的笔记。
自动创建设备节点的工作是在驱动程序的入口函数中完成的,一般在 cdev_add 函数后面添
加自动创建设备节点相关代码。
①首先要创建一个 class 类,定义在文件include/linux/device.h 里面。
struct class *class_create(struct module *owner, const char *name);
class_create 一共有两个参数,参数 owner 一般为 THIS_MODULE,参数 name 是类名字。设备类名对应 /sys/class 目录的子目录名。返回值是个指向结构体 class 的指针,也就是创建的类。
卸载驱动程序的时候需要删除掉类,类删除函数为 class_destroy
void class_destroy(struct class *cls); // cls要删除的类
②创建设备:
创建好类以后还不能实现自动创建设备节点,还需要在类下创建一个设备,使用 device_create 函数在类下面创建设备。
struct device *device_create(struct class *class,struct device *parent,dev_t devt,void *drvdata,const char *fmt, ...)
简化后
struct device *device_create(设备类指针, 父设备指针,设备号, 额外数据, 设备文件名);
成功会在 /dev 目录下生成设备文件。
卸载驱动的时候需要删除掉创建的设备,设备删除函数为 device_destroy
void device_destroy(struct class *class, dev_t devt);
参数 class 是要删除的设备所处的类,参数 devt 是要删除的设备号
小结:
a.创建设备类 ---------------------- class_create
struct class *class_create(struct module *owner, const char *name);
//创建成功会生产该路径: /sys/class/设备类名
b.创建设备文件(设备节点) ------------------ device_create
struct device *device_create(设备类指针, 父设备指针,设备号, 额外数据, 设备文件名);
//成功会在 /dev 目录下生成设备文件
销毁设备类 --------------------- class_destroy
销毁设备文件 ------------------- device_destroy
struct class *class; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
dev_t devid; /* 设备号 *//* 驱动入口函数 */
static int __init led_init(void)
{.../* 创建类 */class = class_create(THIS_MODULE, "xxx");/* 创建设备 */device = device_create(class, NULL, devid, NULL, "xxx");...return 0;
}/* 驱动出口函数 */
static void __exit led_exit(void)
{.../* 删除设备 */device_destroy(newchrled.class, newchrled.devid);/* 删除类 */class_destroy(newchrled.class);...
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
5.文件私有数据
每个硬件设备都有一些属性,比如主设备号(dev_t),类(class)、设备(device),在编写驱动的时候可以将这些属性全部写成变量的形式,但对于一个设备的所有属性信息最好将其做成一个结构体,编写驱动 open 函数的时候将设备结构体作为私有数据添加到设备文件中。
/* newchrled设备结构体 */
struct newchrled_dev{dev_t devid; /* 设备号 */struct cdev cdev; /* cdev */struct class *class; /* 类 */struct device *device; /* 设备 */int major; /* 主设备号 */int minor; /* 次设备号 */
};struct newchrled_dev newchrled; /* led设备 *//** @description : 打开设备* @param - inode : 传递给驱动的inode* @param - filp : 设备文件,file结构体有个叫做private_data的成员变量* 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。* @return : 0 成功;其他 失败*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{filp->private_data = &newchrled; /* 设置私有数据 */return 0;
}static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{struct newchrled_dev *dev = (struct newchrled_dev *)filp->private_data;return 0;
}
在 open 函数里面设置好私有数据后,在 write、 read、 close 函数中直接读取 private_data即可得到设备结构体。
6.应用层和内核层传递数据
应用层和内核层是不能直接进行数据传输的。 要想进行数据传输, 要借助下面的这两个函数
static inline long copy_from_user(void *to, const void __user * from, unsigned long n)
static inline long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n)
用户空间-->内核空间
copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n)
to:目标地址(内核空间)
from:源地址(用户空间)
n:将要拷贝数据的字节数
返回值:成功返回 0, 失败返回没有拷贝成功的数据字节数
内核空间-->用户空间
copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n)
to:目标地址(用户空间)
from:源地址(内核空间)
n:将要拷贝数据的字节数
返回值:成功返回 0, 失败返回没有拷贝成功的数据字节数
总结
Linux系统将设备分为3类:字符设备、块设备、网络设备。
Linux中所有的设备文件在/dev目录下,内核中有很多的字符设备驱动,这些字符设备驱动和字符设备文件匹配的方式是通过设备号。
在应用层调用open函数打开设备文件,对于上层open调用到内核时会发生一次软中断中断号是0X80,从用户空间进入到内核空间。
open会调用到system_call
(内核函数),system_call会根据设备文件中的设备名,去找出要操作的设备号。
然后调到虚拟文件VFS (为了上层调用到确切的硬件统一化),调用VFS里的sys_open
,sys_open会找到在驱动链表(管理所有设备的驱动)里面,根据主设备号和次设备号找到字符设备驱动,然后驱动函数里面有通过寄存器操控IO口的代码,进而可以控制IO口实现相关功能。
大致流程:
补充:
1.在Linux文件系统中,每个文件都用一个struct inode结构体来描述,这个结构体记录了这个文件的所有信息,例如文件类型,访问权限等。
2.在linux操作系统中,每个驱动程序在应用层的/dev目录或者其他如/sys目录下都会有一个文件与之对应。
3.在linux操作系统中, 每个驱动程序都有一个设备号
4.在linux操作系统中,每打开一次文件,Linux操作系统会在VFS层分配一个struct file结构体来描述打开的文件。
大致驱动原理:
(1) 当open函数打开设备文件时,可以根据设备文件对应的struct inode结构体描述的信息,可以知道接下来要操作的设备类型(字符设备还是块设备),还会分配一个struct file结构体。
(2) 根据struct inode结构体里面记录的设备号,可以找到对应的驱动程序。在Linux操作系统中每个字符设备都有一个struct cdev结构体。此结构体描述了字符设备所有信息,其中最重要的一项就是字符设备的操作函数接口。
(3) 找到struct cdev结构体后,linux内核就会将struct cdev结构体所在的内存空间首地址记录在struct inode结构体i_cdev成员中,将struct cdev结构体中的记录的函数操作接口地址记录在struct file结构体的f_ops成员中。
(4) 任务完成,VFS层会给应用返回一个文件描述符(fd)。这个fd是和struct file结构体对应的。接下来上层应用程序就可以通过fd找到struct file,然后在struct file找到操作字符设备的函数接口file_operation了。
其中,cdev_init和cdev_add在驱动程序的入口函数中就已经被调用,分别完成字符设备与file_operation函数操作接口的绑定,和将字符驱动注册到内核的工作。
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