字符設備驅動

驅動分類：字符設備，塊設備，網絡接口設備。

什麼是字符設備：按字節來訪問的設備，驅動通常實現open，read，write等系統調用。

字符設備驅動模型

字符設備程序設計

設備號

（1）設備號是什麼：字符設備通過字符設備文件來存取。輸入 ls -l輸出的第一列是‘c’，這就是字符設備文件的標識。還有逗號分隔的兩個數，他們分別是字符設備文件的主次設備號。
主設備號：用來標識與設備文件相連的驅動程序，用來反應設備是什麼類型。
次設備號：被驅動程序用來辨別操作的是哪個設備，用來區分同類型的設備。
描述：dev_t：實質是unsigned int 32位整數，其中高12位是主設備號，低20位是次設備號。
主設備號：MAJOR（dev_t dev）
次設備號：MINOR（dev_t dev）
（2）分配設備號：靜態申請和動態分配。
1. 靜態申請：使用函數register_chrdev_region註冊設備號，優點是簡單，缺點是一旦驅動被廣泛使用，這個隨機的主設備號可能會導致設備號衝突，導致驅動程序無法註冊。
函數原型：int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char* name);
功能：申請使用從from開始的count個設備號（主設備號不變，次設備號增加）
參數解析：
from：希望申請使用的設備號
count：希望申請使用的設備號數目
name：設備名（體現在/proc/device）
2. 動態分配：使用函數alloc_chrdev_region分配設備號，優點是簡單，易於驅動推廣，缺點是無法在安裝驅動前創建設備文件（因爲在安裝前還沒有分配到設備號）
函數原型：int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);
功能：請求內核動態分配count個設備號，且次設備號從baseminor開始。
參數解析：
dev：分配到的設備號
baseminor：起始的次設備號
count：需要分配的設備號數目
name：設備名
（3）註銷設備號：不論哪種方法分配設備號，不用的時候都應該釋放設備號。
函數原型：void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
功能：釋放從from開始的count個設備號。

創建設備文件：命令mknod手動創建

使用：mkmod filename type major minor

設備註冊

（1）描述：struct cdev
（2）註冊：3個步驟
1. 分配cdev
struct cdev的分配可使用cdev_alloc函數完成
使用：struct cdev* cdev_alloc(void)
2. 初始化cdev
struct cdev的初始化使用cdev_init函數完成
使用：void cdev_init(struct cdev* cdev, const struct file_operations* fops)
參數解析：
cdev：待初始化的cdev結構
fops：設備對應的操作函數
3. 添加cdev
struct cdev的註冊使用cdev_add函數完成
使用：int cdev_add(struct cdev* p, dev_t dev, unsigned count)
參數解析：
p：待添加到內核的字符設備驅動結構
dev：設備號
count：添加的設備個數

3種重要數據結構

struct file， struct inode， struct file_operations
（1）struct file：代表打開的文件。Linux系統中每一個打開的文件在內核空間都有一個關聯的struct file。他由內核在打開文件時創建，在文件關閉後釋放。
重要成員：loff_t f_pos 文件讀寫位置
（2）struct file_operations* f_op：一個函數指針的集合，定義可以在設備進行的操作。結構中的成員指向驅動中的函數，這些函數實現一個特別的操作，對於不支持的操作保留爲NULL
（3）struct inode：用來記錄文件的物理上的信息。和file結構不同，一個文件可以對應多個file結構，但是隻有一個inode結構。
重要成員：dev_t i_rdev 設備號

設備操作

open：設備文件的第一個操作

函數原型：int (open)(struct inode, struct file*)
並不要求驅動程序一定要實現這個操作。如果該項是NULL，設備的打開操作永遠成功的。
在大部分驅動程序中，open完成的工作是：初始化設備，標明次設備號。

release：設備文件關閉時調用這個操作

函數原型：void (release)(struct inode, struct file*)
與open類似，release也可以沒有。作用與open相反：關閉設備。

read：從設備中讀數據到用戶空間

函數原型：ssize_t(read)(struct file, char __user*, size_t, loff_t*);

write：向設備發數據，將數據傳遞給驅動程序

函數原型：ssize_t(write)(struct file, char __user*, size_t, loff_t*);
讀寫類似：ssize_t xxx_read(struct file* filp, char __user* buff, size_t count, loff_t* offp);
ssize_t xxx_write(struct file* filp, char __user* buff, size_t count, loff_t* offp);
參數解析：
1. filp：文件指針
2. count：請求傳輸的數據量
3. buff：用戶空間指針，指向數據緩存。不能被內核代碼直接調用，因爲用戶空間指針在內核空間可能根本是無效的，沒有地址映射。內核提供了專門的函數用於訪問用戶空間指針：
int copy_from_user(void* to, const void __user* from, int n);
int copy_to_user(void __user* to, const void* from, int n);
4. offp：文件當前的訪問位置

poll：對應select系統調用

函數原型：unsigned int(poll)(struct file, struct poll_table_struct*)

ioctl：控制設備

函數原型：int (ioctl)(struct inode, struct file*, unsigned int, unsigned long)

mmap：將設備映射到進程虛擬地址空間中

函數原型：int (mmap)(struct file, struct vm_area_struct*)

llseek：修改文件當前位置，並將新位置作爲返回值

函數原型：off_t (llseek)(struct file, loff_t, int)

cdev_del：字符設備註銷

函數原型：int cdev_del(struct cdev* p)
參數解析：p是要註銷的字符設備

範例設計：簡單字符驅動程序

開發一個基本的字符設備：建立一個名爲GlobalChar的虛擬設備，設備內部只有一個全局變量供用戶操作。
設備提供功能：
1. 讀函數讀取設備內部全局變量的值返回給用戶
2. 寫函數把用戶設定的值寫入全局變量

步驟如下：

編寫代碼：GlobalCharDev.c

#include<linux/module.h>
#include<linux/init.h>
#include<linux/kernel.h>
#include<cdev.h>
#include<linux/fs.h>
#include<linux/kdev_t.h>
#include<asm/uaccess.h>
#include<linux/device.h>
#define DEV_NAME "GlobalChar"

static ssize_t GlobalRead(struct file *, char *, size_t, loff_t *);
static ssize_t GlobalWrite(struct file *, const char *, size_t, loff_t *);

static int char_major = 0;
static int GlobalData = 0;

static const struct file_operations globalchar_fops =
{
     .read = GlobalRead,
     .write = GlobalWrite
};

static int __init GlobalChar_init(void)
{
     int ret;
     ret = register_chrdev(char_major, DEV_NAME, &globalchar_fops);
     if(ret < 0)
     {
          printk(KERN_ALERT "GlobalChar register failed!\n");
     }
     else
     {
          printk(KERN_ALERT "GlobalChar register sucess!\n");
          char_major = ret;
          printk(KERN_ALERT "major = %d\n", char_major);
     }
     return ret;
}

static void __exit GlobalChar_exit(void)
{
     unregister_chrdev(char_major, DEV_NAME);
     return;
}

static ssize_t GlobalRead(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
     if(copy_to_user(buf, &GlobalData, sizeof(int)))
     {
          return -EFAULT;
     }
     return sizeof(int);
}

static ssize_t GlobalWrite(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
     if(copy_from_user(&GlobalData, buf, sizeof(int)))
     {
          return -EFAULT;
     }
     return sizeof(int);
}

module_init(GlobalChar _init);
module_exit(GlobalChar _exit);

編寫Makefile

obj-m := GlobalCharDev.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/bulid
SRCPWD := $(shell pwd)
all:
     make -C $(KDIR) M=$(SRCPWD) modules

編譯並加載內核模塊

查看內核分配的主設備號：dmesg | tail -n 10和cat /proc/devices | grep GlobalChar

使用mknod命令創建一個設備文件：sudo mknod -m 666 /dev/GlobalChar c 249 0

到此爲止，已經成功添加了一個字符設備到內核，下面是測試驅動程序能否正常工作。

測試代碼：GlobalCharTest.c

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#define DEV_NAME "/dev/GlobalChar"

int main()
{
     int fd, num;
     fd = open(DEV_NAME, O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
     if(fd < 0)
     {
          printf("open device fail!\n");
          return -1;
     }
     read(fd, &num, sizeof(int));
     printf("the GlobalChar is %d\n", num);
     printf("please input a number written to GlobalChar: ");
     scanf("%d", &num);
     write(fd, &num, sizeof(int));
      read(fd, &num, sizeof(int));
      printf("the GlobalChar is %d\n", num);
     close(fd);
     return 0;
}

lincuiting06

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