• 字符设备驱动总结

    目录

    1、使用字符设备驱动

    2、字符设备驱动模型

    2.1 设备描述符结构cdev

    2.1.1 设备号

    2.1.2 操作函数集

    2.2 字符设备驱动模型实现

    2.2.1 驱动初始化 

    2.2.2 实现设备操作

    2.2.3 驱动注销

    3、自己动手写驱动

    4、字符驱动访问揭秘

    1、使用字符设备驱动

            在linux系统中，驱动程序通常采用内核模块的程序结构来进行编码，因此，编译和安装一个驱动程序，其实质是编译和安装一个内核模块。

            字符设备文件，通过一个字符设备文件，应用程序可以使用相应的字符设备驱动程序来控制字符设备，创建字符设备文件的方法一般有两种：        

    1.     ①、mknod命令 mkond /dev/文件名 c 主设备号 次设备号
    2.     
    3.     ②、使用函数在驱动程序中创建，在设备驱动注册到系统后，调用class_create
    4. 为该设备在/sys/class目录下创建一个设备类，再调用device_create函数为每个设
    5. 备创建对应的设备，并通过uevent机制调用mdev（嵌入式linux由busybox提供）来调
    6. 用mknod创建设备文件至/dev目录下。
    7.     参考链接：https://www.cnblogs.com/linfeng-learning/p/9316224.html
    8.              https://www.cnblogs.com/chen-farsight/p/6154941.html
    9.     
    10.     其中，通过cat /proc/devices可以看到内核模块的主设备号

    2、字符设备驱动模型

    2.1 设备描述符结构cdev

            在任何一种设备驱动模型中，设备都会用内核中的一种数据结构来描述，我们的字符设备在内核中总是使用struct cdev来描述：

    1. struct cdev {
    2. 	struct kobject kobj;
    3. 	struct module *owner;
    4. 	const struct file_operations *ops; //设备操作集
    5. 	struct list_head list;
    6. 	dev_t dev; //设备号
    7. 	unsigned int count; //设备数
    8. };

    2.1.1 设备号

            Linux内核中使用dev_t类型来定义设备号，dev_t这种类型其实质为32位的unsigned int，其中高12位位主设备号，低20位为此设备号。

            问1：如果知道主设备哈、此设备号，怎么组合成dev_t类型？答：dev_t dev = MKDEV(主设备号，次设备号）

            问2：如何从dev_t中分解出主设备号？答：主设备号 = MAJOR(dev_t dev)

            问3：如何从dev_t中分解出次设备号？答：次设备号 = MINOR(dev_t dev)

            如何为设备分配一个主设备号，方法主要有两种，一种是静态申请，一种是动态分配。

            静态申请：开发者自己选择一个数字作为主设备号，然后通过函数register_chrdev_region向内核申请使用。缺点：如果申请使用的设备号已经被内核中的其他驱动使用了，则申请失败。

            动态分配：使用alloc_chrdev_region由内核分配一个可用的主设备号。优点：因为内核知道哪些号已经被使用了，多以不会导致分配到已经使用的设备号。

            设备号注销：无论使用何种方法分配到的设备号，都应该在驱动退出的时候使用unregister_chrdev_region函数释放这些设备号。

    2.1.2 操作函数集

            应用程序的调用比如open、write 、read 怎么通过字符设备文件和驱动来相应的？

            Struct file_operations是一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作。结构中的函数指针指向驱动中函数，这些哈数实现一个针对设备的操作，对于不支持的操作则设置函数指针为NULL。

    1. struct file_operations dev_fops = {
    2.     .llseek = NULL,
    3.     .read = dev_read,
    4.     .write = dev _write,
    5.     .ioctl = dev_ioctl,
    6.     .open = dev_open,
    7.     .release = dev_release,
    8. };

    2.2 字符设备驱动模型实现

            在Linux系统中，设备的类型非常繁多，如：字符设备，块设备，网络接口设备，USB设备，PCI设备，混杂设备.....，而设备类型不同，也意味着其对应的驱动程序模型不同，这样就导致我们需要去掌握众多的驱动程序模型，那么能不能从这些驱动程序模型中提炼出一些具有共性的规则，则是我们能不能学号linux驱动的关键。

    2.2.1 驱动初始化 

    ①、分配设备描述符结构，cdev变量的定义可以采用静态和动态两种方式。

    静态分配：struct cdev mdev;

    动态分配：struct cdev *pdev = cdev_alloc(); 

     ②、描述结构初始化，struct cdev的初始化使用cdev_init函数来完成。

    1. cdev_init(struct cdev *cdev,const struct file_operations *fops)
    2. param 1:待初始化的cdev结构
    3. param2:设备对应的操作函数集

    ③、注册设备描述符结构，字符设备的注册使用cdev_add函数来完成

    1. cdev_add(struct cdev *p,dev_t dev,unsigned count)
    2. param1:待添加到内核的字符设备结构
    3. param2:设备号
    4. param3:该类设备的个数

     ④、根据硬件的芯片手册，完成初始化

    2.2.2 实现设备操作

            设备操作的方法、操作函数集：   

    1. //打开设备，响应open
    2. int （*open) (struct inode *,struct file *) 
    3. //关闭设备，响应close
    4. int (*release) (struct inode *,struct file *)
    5. //重定位读写指针，响应lseek系统调用
    6. loff_t (*llseak)(struct file *,loff_t,int)
    7. //从设备读取数据，响应read系统调用
    8. sszie_t (*read)(struct file *,char __user *,size_t,loff_t *)
    9. //向设备写入数据，响应write系统调用
    10. sszie_t (*write)(struct file *,const char __user *,size_t,loff_t *)

    struct file在Linux系统中，每一个打开的文件，在内核中都会关联一个struct file，它由内核在打开文件时创建, 在文件关闭后释放。重要成员：

    1. int*   private_data;//文件指针
    2.  
    3. loff_t f_pos /*文件读写指针*/
    4.  
    5. struct file_operations *f_op /*该文件所对应的操作*/

    struct ionde：为文件节点，每一个存在于文件系统里面的文件都会关联一个inode结构，该结构用来记录文件物理上的信息。因此，它和代表打开文件的file结构是不同的。一个文件没有被打开时不会关联file结构，但却会关联一个inode结构。重要成员：

    1. dev_t i_rdev:设备号
    2. umode_t i_mode:文件类型
    3. struct file_oprations *i_fop
    4. union{
    5.     struct block_device *i_bdev;
    6.     struct cdev *i_cdev;
    7. }

    ①、open设备方法是驱动程序用来为以后的操作完成初始化准备工作的 ，在大部分驱动程序中，open完成如下工作：表明设备号，启动设备；

    ②、release方法的作用正好与open相反。这个设备方法有时也称为close，它应该完成的工作：关闭设备；

    ③、read设备方法通常完成2件事情：1、从设备中读取数据(属于硬件访问类操作)2、将读取到的数据返回给应用程；

    1. ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)
    2. 参数分析：
    3. filp：与字符设备文件关联的file结构指针, 由内核创建。
    4. buff : 从设备读取到的数据，需要保存到的位置，由read系统调用提供该参数。
    5. count: 请求传输的数据量，由read系统调用提供该参数。
    6. offp: 文件的读写位置，由内核从file结构中取出后，传递进来。

    buff参数来源于用户空间的指针，这类指针不能被内核代码直接引用，必须有专门的函数：

    1. int copy_from_user(void *to,const void __user *from,int n)
    2. int copy_to_user(void __user *to,const void *from,int n)

    ④、write设备方法通常完成2件事：从应用程序提供的地址中取出数据，将数据写入设备（属于硬件访问类操作）(参数通read）

    sszie_t (*write)(struct file *,const char __user *,size_t,loff_t *)

    2.2.3 驱动注销

            当我们从内核中卸载驱动程序的时候，需要使用cdev_del函数来完成字符设备的注销；

    3、自己动手写驱动

            自己完成一个虚拟字符设备的编写：

            memdev.h

    1. #ifndef _MEMDEV_H_
    2. #define _MEMDEV_H_
    3.  
    4. #ifndef MEMDEV_MAJOR
    5. #define MEMDEV_MAJOR 254	//预设的mem的主设备号
    6. #endif
    7.  
    8. #ifndef MEMDEV_NR_DEVS
    9. #define MEMDEV_NR_DEVS 2		//设备数
    10. #endif
    11.  
    12. #ifndef MEMDEV_SIZE
    13. #define MEMDEV_SIZE 4096    //4K，申请的用于模拟字符设备的内存是4K
    14.  
    15. //mem设备描述结构体
    16. Struct mem_dev
    17. {
    18. 	Char *data;     //由于是用内存模拟字符设备，所以需要记录那块内存的地址，用data保存
    19. 	Unsigned long size;
    20. };
    21.  
    22. #endif		/*_MEMDEV_H_*/

            memdev.c

    1. //此函数是用内存中的某一段数据来模拟一个字符设备
    2. #include 
    3. #include 
    4. #include 
    5. #include 
    6. #include 
    7. #include 
    8. #include 
    9. #include 
    10. #include 
    11. #include 
    12. #include 
    13.  
    14. #include “memdev..h”
    15.  
    16. static mem_major = MEMDEV_MAJOR;
    17. module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
    18.  
    19. struct mem_dev *mem_devp ; //设备结构体指针
    20.  
    21. struct cdev cdev;
    22.  
    23. /*文件打开函数*/
    24. int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
    25. {
    26. 	struct mem_dev *dev;
    27. 	
    28. 	/*获取次设备号*/
    29. 	int num = MINOR(inode->i_rdev);
    30.  
    31. 	if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
    32. 		return -ENODEV;
    33. 	dev = &mem_devp[num];
    34.  
    35. 	/*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
    36. 	filp->private_data = dev;
    37.  
    38. 	return 0;
    39. }
    40.  
    41. /*文件释放函数*/
    42. int mem_release(struct inode * inode , struct file * filp)
    43. {
    44. 	return 0;
    45. }
    46.  
    47. /*读函数*/
    48. static ssize_t mem_read(struct file * filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
    49. {
    50. 	unsigned long p = *ppos;
    51. 	unsigned int count = size;
    52. 	int ret = 0;
    53. 	struct mem_dev *dev = filp->private_data;	//获得设备结构体指针
    54. 	
    55. 	/*判断读位置是否有效*/
    56. 	if (p >= MEMDEV_SIZE)
    57.  	 return 0;
    58. 	if (count > MEMDEV_SIZE -p)
    59. 	 count = MEMDEV_SIZE -p;
    60. 	
    61. 	/*读数据到用户空间*/
    62. 	if(copy_to_user(buf, (void *)(dev->data + p), count))
    63. 	 {
    64. 	   ret = -EFAULT;
    65. 	}
    66. 	else
    67. 	 {
    68. 	   *ppos += count;
    69. 	   ret = count;
    70. 	
    71. 	   printk(KERN_INFO, "read %d bytes(s) from %d \n", count, p);
    72. 	 }
    73. 	return ret;	
    74. 	
    75. }
    76. /*写函数*/
    77. static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
    78. {
    79. 	unsigned long p = *ppos;
    80. 	unsigned int count = size;
    81. 	int ret = 0;
    82. 	struct mem_dev *dev = filp->private_data;//获得设备结构体指针
    83.  
    84. 	/*分析和获取有效的写长度*/
    85. 	if (p >= MEMDEV_SIZE)
    86.  	 return 0;
    87. 	if (count > MEMDEV_SIZE -p)
    88. 	 count = MEMDEV_SIZE -p;
    89. 	
    90. 	/*从用户空间写入数据*/
    91. 	if (copy_from_user(dev->data +p , buf, count))
    92. 	 ret = -EFAULT;
    93. 	else
    94. 	 {
    95. 	   *ppos += count;
    96. 	   ret = count;
    97.  
    98. 	   printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d \n", count, p);	
    99. 	}
    100. 	return ret;
    101. }
    102.  
    103. /*seek文件定位函数*/
    104. static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
    105. {
    106. 	loff_t newpos;
    107. 	
    108. 	switch(whence){
    109. 	  case 0:	/*SEEK_SET*/
    110. 	    newpos = offset;
    111. 	    break;
    112.  
    113. 	  case 1:	/*SEEK_CUR*/
    114. 	    newpos = filp->f_ops + offset;
    115. 	    break;
    116.  
    117. 	  case 2:	/*SEEK_END*/
    118. 	    newpos = MEMDEV_SIZE - 1 + offset;//此时offset应为负数
    119. 	    break;
    120. 	
    121. 	  default:	/*can't happen*/
    122. 	    return -EINVAL;	
    123. 	}
    124. 	if ((newpos < 0) || (newpos > MEMDEV_SIZE))
    125. 	    return -EINVAL;
    126. 	
    127. 	filp->f_pos = newpos;
    128. 	return newpos; 
    129. }
    130.  
    131. /*文件操作结构体*/
    132. static const struct file_operations mem_fops = 
    133. {
    134. 	.owner = THIS_MODULE,
    135. 	.llseek = mem_llseek,
    136. 	.read = mem_read,
    137. 	.write = mem_write,
    138. 	.open = mem_open,
    139. 	.release = mem_release,
    140. };
    141.  
    142. /*设备驱动模块加载函数*/
    143. static int memdev_init(void)
    144. {
    145. 	int result;
    146. 	int i;
    147. 	
    148. 	dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);
    149.  
    150. 	/*静态申请设备号*/
    151. 	if (mem_major)
    152. 	 result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
    153. 	else	/*动态分配设备号*/
    154. 	 {
    155. 		result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
    156. 		mem_major = MAJOR(devno);	
    157. 	}
    158. 	
    159. 	if (result < 0)
    160. 	 return result;
    161.  
    162. 	/*初始化cdev结构*/
    163. 	cdev_init(&cdev, &mem_fops);	//因为cdev是之前定义好了的struct cdev cdev，所以不需要分配，而直接进行初始化
    164. 	cdev.owner = THIS_MODULE;
    165. 	cdev.ops = &mem_fops;
    166.  
    167. 	/*注册字符设备*/
    168. 	cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
    169. 	
    170. 	/*为设备描述结构分配内存*/
    171. 	mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
    172. 	if(!mem_devp)	//申请失败
    173. 	{
    174. 	 result = -ENOMEM;
    175. 	 goto fail_malloc;
    176. 	}
    177. 	memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
    178.  
    179. 	/*为设备分配内存*/
    180. 	for (i=0; i
    181. 	 {
    182. 		mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
    183. 		mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
    184. 		memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
    185. 	}
    186. 	
    187. 	return 0;
    188.  
    189. 	fail_malloc:
    190. 	unregister_chrdev_region(devno, 1);
    191.  
    192. 	return result;
    193. }
    194.  
    195. /*模块卸载函数*/
    196. static void memdev_exit(void)
    197. {
    198. 	cdev_del(&cdev);	//注销设备
    199. 	kfree(mem_devp);	//释放设备结构体内存
    200. 	unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2);	//释放设备号
    201. }
    202.  
    203. MODULE_AUTHOR("David Jason");
    204. MODULE_LICENCE("GPL");
    205.  
    206. module_init(memdev_init);
    207. module_exit(memdev_exit);

    4、字符驱动访问揭秘

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