驱动学习----字符设备驱动框架

字符设备驱动框架

1、字符设备驱动简介
2、file_operations
3、驱动模块的加载和卸载
4、字符设备的注册与注销
5、实现设备具体操作函数
6、添加LICENSE和作者信息
7、linux设备号
- 7.1、静态分配设备号
- 7.2、动态分配设备号
8、程序编写
- 8.1、驱动程序
- 8.2、应用程序编写
9、实验测试

第一个驱动学习。
框架框架框架，本节最重要的就是字符设备框架。

1、字符设备驱动简介

1、字符设备是 Linux 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。比如我们最常见的点灯、按键、 IIC、 SPI，LCD 等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。

2、我们在应用层打开某一个文件（节点），然后调用open、read、write、close，最终会进入到内核调用驱动中的open、read、write、release函数。
其实就是file_operations结构体的成员变量实现。

2、file_operations

该结构体在include/linux/fs.h文件中定义，定义如下：

 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 (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);unsigned int (*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 *);int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);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 (*aio_fsync) (struct kiocb *, 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 *);#endif};

成员介绍：
        1、owner，一般设置为THIS_MODULE。
        2、llseek函数用于修改文件当前的读写位置。
        3、read函数用于读取设备文件。
        4、write函数用于向色被写入数据。
        5、poll是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。
        6、open函数打开设备文件。
        7、release函数用于关闭设备文件，与应用程序中的close函数对应。

3、驱动模块的加载和卸载

1、linux驱动有两种运行方式。一种是编译进内核；另一种是将驱动编成模块（ko文件），在内核启动后用insmod命令加载模块。
2、模块有加载和卸载两种操作，我们编写驱动时候需要注册这两种操作函数，如下注册函数：

 module_init(xxx_init); //注册模块加载函数module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数

3、module_init函数用来向内核注册一个模块加载函数，参数xxx_init就是需要注册的函数，当insmod加载驱动的时候，xxx_init函数就会被调用。同理rmmod的时候xxx_exit函数调用。

4、字符设备的注册与注销

1、对于字符设备驱动而言，当驱动模块加载成功后需要注册字符设备，卸载时要注销掉字符设备。
2、字符设备的注册和注销函数原型如下：

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)

参数介绍：
        major：主设备号，Linux下每个设备都有设备号，分为主次设备号。
        name：设备名字。
        fops：结构体file_operations类型指针。

一般字符设备的注册在驱动模块入口函数xxx_init中进行；注销在xxx_exit中进行。

5、实现设备具体操作函数

file_operations变量的定义，open read write的实现。

static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp)
static ssize_t chrtest_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
static ssize_t chrtest_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
static int chrtest_release(struct inode *inode, struct file *filp)

6、添加LICENSE和作者信息

 MODULE_LICENSE("GPL") //添加模块 LICENSE 信息MODULE_AUTHOR("abc") //添加模块作者信息

7、linux设备号

1、Llinux提供了一个名为dev_t的数据类型表示设备号，dev_t定义在文件include/linux/types.h中，如下：

 typedef __kernel_dev_t      dev_t;typedef __u32 __kernel_dev_t;typedef unsigned int __u32;

2、综上dev_t就是一个unsigned int型数据，32位。这32位组成主设备号和次设备号两部分：
1. 高12位代表主设备号，范围0~4095，
2. 低20位代表次设备号。

3、设备号操作函数：

 #define MINORBITS 20#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

MINORBITS，表示次设备号位数，一共20位
        MAJOR：用于从dev_t中获取主设备号
        MINOR：用于从dev_t中获取次设备号
        MKDEV，用于将给定的主设备号和次设备号合成dev_t类型的设备号。

7.1、静态分配设备号

静态分配需要我们使用 cat /proc/devices命令来查看当前系统已经使用的设备号，然后确定设备号，比较繁琐，且容易带来冲突问题。

7.2、动态分配设备号

1、为了解决冲突，Linux社区推荐使用动态分配设备号。设备号的申请函数如下：

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

2、参数：
        dev：保存申请到的设备号
        baseminor：次设备号起始地址，alloc_chrdev_region一次可以申请多个设备号，这些设备的主设备号都一样，但次设备号不一样，从0开始。
        count：要申请的设备号数量。
        name：名字。
        3、注销字符设备之后要释放掉设备号，函数如下：

 void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

4、参数：
from：要释放的设备号。
count：要释放的设备号数量。

8、程序编写

8.1、驱动程序

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>#define CHRDEVBASE_MAJOR 200             /* 主设备号 */
#define CHRDEVBASE_NAME     "chrdevbase"  /* 设备名     */static char readbuf[100];      /* 读缓冲区 */
static char writebuf[100];      /* 写缓冲区 */
static char kerneldata[] = {"kernel data!"};/*
return  0 成功;其他 失败
*/
static int chrdevbase_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{//printk("chrdevbase open!\r\n");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 chrdevbase_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue = 0;/* 向用户空间发送数据 */memcpy(readbuf, kerneldata, sizeof(kerneldata));retvalue = copy_to_user(buf, readbuf, cnt);if(retvalue == 0){printk("NM kernel senddata ok!\r\n");}else{printk("NM kernel senddata failed!\r\n");}return 0;
}static ssize_t chrdevbase_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue = 0;/* 接收用户空间传递给内核的数据并且打印出来 */retvalue = copy_from_user(writebuf, buf, cnt);if(retvalue == 0){printk("NM kernel recevdata:%s\r\n", writebuf);}else{printk("NM  kernel recevdata failed!\r\n");}return 0;
}static int chrdevbase_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{printk("NM  chrdevbase release！\r\n");return 0;
}/** 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,
};/*
@description: 驱动入口函数
*/
static int __init chrdevbase_init(void)
{int retvalue = 0;/* 注册字符设备驱动 */retvalue = register_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME, &chrdevbase_fops);if(retvalue < 0){printk("NM chrdevbase driver register failed\r\n");}printk("NM chrdevbase init!\r\n");return 0;
}/*
@description: 驱动出口函数
*/
static void __exit chrdevbase_exit(void)
{/* 注销字符设备驱动 */unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME);printk("NM chrdevbase exit!\r\n");
}/* * 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
module_init(chrdevbase_init);
module_exit(chrdevbase_exit);/* * LICENSE和作者信息*/
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("NM");

程序介绍：入口函数chrdevbase_init：注册字符设备驱动，主设备号为200，名字为chardevbase。字符设备操作集合：chrdevbase_fops：实现了open、read、write、release函数，供应该层调用。

8.2、应用程序编写

应用程序打开设备节点，调用open、read、write函数。

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"// 使用方法：./chrdevbase /dev/chrdevbase <1>|<2>static char usrdata[] = {"usr data!"};int main(int argc, char *argv[])
{int fd, retvalue;char *filename;char readbuf[100], writebuf[100];if(argc != 3){printf("Error Usage!\r\n");return -1;}filename = argv[1];/* 打开驱动文件 */fd  = open(filename, O_RDWR);if(fd < 0){printf("Can't open file %s\r\n", filename);return -1;}if(atoi(argv[2]) == 1){ /* 从驱动文件读取数据 */retvalue = read(fd, readbuf, 50);if(retvalue < 0){printf("read file %s failed!\r\n", filename);}else{/*  读取成功，打印出读取成功的数据 */printf("read data:%s\r\n",readbuf);}}if(atoi(argv[2]) == 2){/* 向设备驱动写数据 */memcpy(writebuf, usrdata, sizeof(usrdata));retvalue = write(fd, writebuf, 50);if(retvalue < 0){printf("write file %s failed!\r\n", filename);}}/* 关闭设备 */retvalue = close(fd);if(retvalue < 0){printf("Can't close file %s\r\n", filename);return -1;}return 0;
}

程序介绍：打开/dev下chrdevbase节点，根据第三个参数确定是读取数据还是写入数据。
1、读取则读取内核中的字符串，存入readbuf中并打印出来。
2、写入则将usrdata写入内核中。

9、实验测试

1、编译将ko拷贝到文件系统中：

2、加载驱动并测试

成功读取和写入数据，实验完成。

2022.10.30