Linux字符设备驱动开发基础

Linux驱动：封装对底层硬件的操作，向上层应用提供操作接口

一. 概念介绍

一般用户在应用程序里调用的 open, read, write 函数是 c 库的函数， 这些函数会触发 swi val异常，从而引发系统调用，进入到内核空间， 内核通过VFS（virtual Filesystem）来实现调用不同的驱动函数。

例如：我们有一个函数，

int main()
{
    int fd1, fd2;
    int val = 1;

    fd1 = open("/dev/led", O_RDWR);
    write(fd1, &val, 4);

    fd2 = open("hello.txt", O_RDWR);
    write(fd2, &val, 4);
}

函数里相同的open、write函数，引发的不同的行为，一个是操控硬件，一个是写文件。

简单的调用关系如下：

用户 –> 系统调用 –> 驱动程序

open –> sys.open –> led.open 
write –> sys.write –> led.write

二. 字符设备驱动框架

实现步骤：

1. 实现驱动的 led.open, led.write, led.read 操作
2. 定义file_operations结构体, 把驱动函数填充到里面
3. 把这个结构告诉内核， 通个注册函数 register_chrdev(major, “first_drv”, &first_drv_fops) 来实现
4. 谁来调用注册函数 –>驱动的入口函数来调用这个注册函数， first_drv_init
5. 修饰一下这个函数入口函数，module_init(first_drv_init)

//第一步：驱动功能实现
static int first_drv_open(struct inode *inode,struct file *file)
{
    printk("first_drv_open\n");
    return 0;
}

static ssize_t first_drv_write(struct file *file,const char __user *buf, size_t count,loff_t *ppos)
{
    printk("first_drv_write\n");
    return 0;
}

//第二步：定义结构体，并把驱动函数填充进去
static struct file_operations first_drv_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,   /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */
    .open  = first_drv_open,
    .write = first_drv_write,
};

//第四步：实现驱动入口函数，来调用注册函数
int major;
static int first_drv_init(void)
{
    //第三步：通过使用注册函数，把结构体告诉内核
    major = register_chrdev(0,"first_drv",&first_drv_fops);// 注册，告诉内核

    return 0;
}

static void first_drv_exit(void)
{
    unregister_chrdev(major,"first_drv");//卸载
}

//第五步：修饰入口函数，及退出函数
module_init(first_drv_init);
module_exit(first_drv_exit);

三. 关联 [设备号] 与 [设备节点]

设备号要与设备结点关联起来，才能通过open(“/dev/xyz”)方便的操作。

1. 设置主设备号

驱动程序可以自动分配主设备号， 也可以手工指定

// 设置为 0 时是系统自动分配主设备号
major = register_chrdev(0, "first_drv", &first_drv_fops); 
// 通过 [cat /proc/devices] 看一下系统为我们的first_drv分配的设备号是多少

// 手动分配 666主设备号给 first_drv
register_chrdev(666, "first_drv", &first_drv_fops); 

2. 设置设备节点

当应该程序 执行 open(“/dev/xyz”) 操作时，这个/dev/xyz怎么来的

2.1 手动创建

// 创建设备节点
mknod /dev/xyz c（表示是字符设备） 主设备号 次设备号

//查看设备信息：
ls -l /dev/xyz

2.2 自动创建
mdev – 根据系统信息创建设备节点

static struct class *firstdrv_class;
static struct class_device *firstdrv_class_dev;

int major;
static int first_drv_init(void)
{
    major = register_chrdev(0, "first_drv", &first_drv_fops);

    //创建设备信息，执行后会出现 /sys/class/firstdrv
    firstdrv_class = class_create(THIS_MODULE, "firstdrv"); 

    //创建设备节点，就是根据上面的设备信息来的
    firstdrv_class_dev = class_device_create(firstdrv_class,
    NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "xyz"); /* /dev/xyz */

    return 0;
}

static void first_drv_exit(void)
{
    unregister_chrdev(major, "first_drv");

    //删除节点及信息
    class_device_unregister(firstdrv_class_dev);
    class_destroy(firstdrv_class);
}

编译测试驱动：

驱动程序：first_drv.c

#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include   
#include 

static struct class *firstdrv_class;
static struct class_device *firstdrv_class_dev;

static int first_drv_open(struct inode *inode,struct file *file)
{
    printk("first_drv_open\n");
    return 0;
}

static ssize_t first_drv_write(struct file *file,const char __user *buf, size_t count,loff_t *ppos)
{
    printk("first_drv_write\n");
    return 0;
}

static struct file_operations first_drv_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,   /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */
    .open  = first_drv_open,
    .write = first_drv_write,
};

int major;
static int first_drv_init(void)
{
    major = register_chrdev(0,"first_drv",&first_drv_fops);// 注册，告诉内核
    //printk("first_drv_init\n");
    firstdrv_class = class_create(THIS_MODULE, "firstdrv");
    firstdrv_class_dev = class_device_create(firstdrv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "xyz"); /* /dev/xyz */

    return 0;
}

static void first_drv_exit(void)
{
    unregister_chrdev(major,"first_drv");//卸载

    class_device_unregister(firstdrv_class_dev);
    class_destroy(firstdrv_class);
}

module_init(first_drv_init);
module_exit(first_drv_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");  

驱动测试程序：

#include   
#include   
#include   
#include   

/* firstdrvtest on 
 * firstdrvtest off 
 */

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    int val = 1;
    fd = open("/dev/xyz",O_RDWR);
    if(fd < 0)
    {
        printf("can't open!\n");
    }
    write(fd,&val,4);
    return 0;
}

Makefile:

KERN_DIR = /work/system/linux-2.6.22.6

all:
    make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 

clean:
    make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
    rm -rf modules.order

obj-m += first_drv.o

测试步骤：

①uboot中挂载文件系统设置：
bootcmd=nand read.jffs2 0x30007FC0 kernel; bootm 0x30007FC0

bootargs=noinitrd root=/dev/nfs nfsroot=192.168.2.3:/work/nfs_root/czg ip=192.168.2.5:192.168.2.3:192.168.2.1:255.255.255.0::eth0:off rootfstype=jffs2 init=/linuxrc console=ttySAC0

②将驱动程序和驱动测试程序编译好，并拷贝至NFS文件夹

make
cp first_drv.ko /work/nfs_root/czg

arm-linux-gcc -o firstdrvtest firstdrvtest.c
cp firstdrvtest /work/nfs_root/czg

③加载驱动程序，并测试

insmod first_drv.ko //卸载：rmmod 查看：lsmod
//测试
./firstdrvtest