字符驱动开发

Linux应用程序对驱动程序的调用流程

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文件，应用程序通过对这个名为“/dev/xxx”(xxx是具体的驱动文件名字)的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。比如现在有个叫做/dev/led的驱动文件，此文件是led灯的驱动文件。应用程序使用open函数来打开文件/dev/led，使用完成以后使用close函数关闭/dev/led这个文件。open和close就是打开和关闭led驱动的函数，如果要点亮或关闭led，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Linux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的操作，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Linux系统中，系统调用作为C库的一部分。当我们调用open函数的时候流程如图所示：

其中关于C库以及如何通过系统调用“陷入”到内核空间这个我们不用去管，我们重点关注的是应用程序和具体的驱动，应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数，比如应用程序中调用了open这个函数，那么在驱动程序中也得有一个名为open的函数。每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数，在Linux内核文件 include/linux/fs.h中有个叫做file_operations的结构体，此结构体就是Linux内核驱动操作函数集合，内容如下所示：
 

1588 struct file_operations {
1589    struct module *owner;
1590    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
1591    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
1592    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
1593    ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
1594    ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
1595    int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
1596    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
1597    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
1598    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
1599    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
1600    int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
1601    int (*open) (struct inode *, struct file *);
1602    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
1603    int (*release) (struct inode *, struct file *);
1604    int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
1605    int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
1606    int (*fasync) (int, struct file *, int);
1607    int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
1608    ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
1609    unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
1610    int (*check_flags)(int);
1611    int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
1612    ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
1613    ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
1614    int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
1615    long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
1616              loff_t len);
1617    void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
1618 #ifndef CONFIG_MMU
1619    unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
1620 #endif
1621 };

驱动模块的加载和卸载
Linux驱动有两种运行方式，第一种就是将驱动编译进Linux内核中，这样当Linux内核启动的时候就会自动运行驱动程序。第二种就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”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，这样我们修改驱动以后只需要编译一下驱动代码即可，不需要编译整个Linux代码。而且在调试的时候只需要加载或者卸载驱动模块即可，不需要重启整个系统。总之，将驱动编译为模块最大的好处就是方便开发，当驱动开发完成，确定没有问题以后就可以将驱动编译进Linux内核中，当然也可以不编译进Linux内核中，具体看自己的需求。
模块有加载和卸载两种操作，我们在编写驱动的时候需要注册这两种操作函数，模块的加载和卸载注册函数如下：
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：

1  /* 驱动入口函数 */
2  static int __init xxx_init(void)
3  {
4   	/* 入口函数具体内容 */
5   	return 0;
6  }
7  
8  /* 驱动出口函数 */
9  static void __exit xxx_exit(void)
10 {
11  	/* 出口函数具体内容 */
12 }
13 
14 /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
15 module_init(xxx_init);
16 module_exit(xxx_exit);

第2行，定义了个名为xxx_init的驱动入口函数，并且使用了“__init”来修饰。
第9行，定义了个名为xxx_exit的驱动出口函数，并且使用了“__exit”来修饰。
第15行，调用函数module_init来声明xxx_init为驱动入口函数，当加载驱动的时候xxx_init函数就会被调用。
第16行，调用函数module_exit来声明xxx_exit为驱动出口函数，当卸载驱动的时候xxx_exit函数就会被调用。
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是最简单的模块加载命令，此命令用于加载指定的.ko模块，比如加载drv.ko这个驱动模块，命令如下：

nsmod drv.ko
insmod命令不能解决模块的依赖关系，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。但是modprobe就不会存在这个问题，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，因此modprobe命令相比insmod要智能一些。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/目录中查找模块，比如本书使用的Linux kernel的版本号为4.1.15，因此modprobe命令默认会到/lib/modules/4.1.15这个目录中查找相应的驱动模块，一般自己制作的根文件系统中是不会有这个目录的，所以需要自己手动创建。
驱动模块的卸载使用命令“rmmod”即可，比如要卸载drv.ko，使用如下命令即可：
rmmod drv.ko
也可以使用“modprobe -r”命令卸载驱动，比如要卸载drv.ko，命令如下：
modprobe -r drv.ko
使用modprobe命令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，还是推荐使用rmmod命令。
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，同样，卸载驱动模块的时候也需要注销掉字符设备。字符设备的注册和注销函数原型如下所示:
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，此函数一共有三个参数，这三个参数的含义如下：
major：主设备号，Linux下每个设备都有一个设备号，设备号分为主设备号和次设备号两部分，关于设备号后面会详细讲解。
name：设备名字，指向一串字符串。
fops：结构体file_operations类型指针，指向设备的操作函数集合变量。
unregister_chrdev函数用户注销字符设备，此函数有两个参数，这两个参数含义如下：
major：要注销的设备对应的主设备号。
name：要注销的设备对应的设备名。
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。内容如下所示：

1  static struct file_operations test_fops;
2 
3  /* 驱动入口函数 */
4  static int __init xxx_init(void)
5  {
6   	/* 入口函数具体内容 */
7   	int retvalue = 0;
8 
9   	/* 注册字符设备驱动 */
10  	retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops);
11  	if(retvalue < 0){
12      	/* 字符设备注册失败,自行处理 */
13  	}
14  	return 0;
15 }
16 
17 /* 驱动出口函数 */
18 static void __exit xxx_exit(void)
19 {
20  	/* 注销字符设备驱动 */
21  	unregister_chrdev(200, "chrtest");
22 }
23 
24 /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
25 module_init(xxx_init);
26 module_exit(xxx_exit);