3. Linux - 字符设备驱动模型

      在上一节(Linux 设备驱动 — 概念)中，我们对Linux设备驱动有了大致的了解；接下来的几个章节主要对字符设备进行学习。

1、设备描述结构

在任何一种驱动模型中，设备都会用内核中的一种结构来描述。我们的字符设备在内核中使用 struct cdev 来描述。

struct cdev {
    struct kobject kobj;
    struct module *owner;
    const struct file_operations *ops;   //设备操作集
    struct list_head list;
    dev_t dev;  //设备号
    unsigned int count; //设备数
};

1.1、 设备号

主设备号

次设备号

      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位为主设备号，低20位为次设备号.

问1：如果知道主设备号，次设备号，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)

• 设备号的申请

  • 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：因为内核已经知道哪些设备号被使用了，所以不会导致分配到已经被使用到的设备号。

• 设备号的注销

不论使用何种方法分配设备号，都应该在驱动退出时，使用 unregister_chrdev_region 函数释放这些设备号。

2、编写字符设备驱动

写出一个字符设备驱动一般需要以下几步：

• （1）确定major；
• （2）分配一个file_operation结构体；
• （3）设置file_operation结构体；
• （4）注册 cdev
• （5）入口（模块加载）；
• （6） 出口（卸载函数）；

说明：
     file_operation 定义了字符设备驱动提供给虚拟文件系统的接口函数；
     Linux 内核提供了一组函数用以操作 cdev 结构体：

void cdev_init(struct cdev *,struct file_operation *);
struct cdev *cdev_alloc(void);
void cdev_put(struct cdev *p);
void cdev_add(struct cdev *,dev_t,unsigned);
void cdev_del(struct cdev *);

cdev_init: 用于初始化cdev成员，并建立cdev和file_operation之间的连接；
cdev_alloc：用于动态申请一个cdev内存；
cdev_add/cdev_del：分别向系统添加和删除一个cdev，完成字符设备的注册和注销；

创建first_drv.c文件，代码如下：

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

struct cdev cdev; 
dev_t devno;


/* inode:结构表示具体的文件;
   file:结构体用来追踪文件在运行时的状态信息。*/
static int first_drv_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    printk("@debug -----> first_drv_open! \n");      //打印
    return 0;
}

/*file:为目标文件结构体指针;
  buffer:为要写入文件的信息缓冲区，
  count:为要写入信息的长度;
  ppos:为当前的偏移位置，这个值通常是用来判断写文件是否越界*/
static ssize_t first_drv_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos)
{
   printk("@debug -----> first_drv_write！\n");      //打印
   return 0;
}

 static struct file_operations first_drv_fops = {
    .owner  =   THIS_MODULE,     //被使用时阻止模块被卸载
    .open   =   first_drv_open,      
    .write   =   first_drv_write,   
};

/*4写first_drv_init入口函数来调用这个register_chrdev()注册函数*/
int first_drv_init(void)
{
    /*初始化cdev结构*/
    cdev_init(&cdev, &first_drv_fops);
    
    /* 注册字符设备 */
    alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "first_drv");
    cdev_add(&cdev, devno, 2);
    return 0;
}

void first_drv_exit(void)
{
    cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/
    unregister_chrdev_region(devno, 2); /*释放设备号*/
}

/*module_init修饰入口函数*/
module_init(first_drv_init);
/*module_exit修饰出口函数*/
module_exit(first_drv_exit);

/*许可证声明, 描述内核模块的许可权限，如果不声明LICENSE，
模块被加载时，将收到内核被污染 （kernel tainted）的警告。*/
MODULE_LICENSE( "GPL v2" );

写Makefile编译脚本:

KDIR := /home/work/project/cbox/02-source/iMX-Linux

all:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules 
clean:
    rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers *.bak *.order
 
 
obj-m := first_drv.o

make,编译生成frist_drv.ko文件

拷贝到开发板后，通过 insmod first_drv.ko来挂载, 通过 cat /proc/devices就能看到first_drv已挂载好：

编写测试程序 first_drv_test.c 代码如下：

#include     //调用sys目录下types.h文件
#include       //stat.h获取文件属性
#include 
#include 

/*输入”./first_drv_test”,     agc就等于1, argv[0]= first_drv_test  */
/*输入”./first_drv_test on”,   agc就等于2, argv[0]= first_drv_test,argv[1]=on;  */

int main(int argc,char **argv) 
{
    int fd1, fd2;
    int val=1;
    fd1 = open("/dev/xxx",O_RDWR);  //打开/dev/xxx设备节点
    if(fd1<0)                   //无法打开,返回-1
      printf("@debug ----- > can't open%d! \n", fd1);
    else
       printf("@debug -----> can open%d! \n", fd1);    //打开，返回文件描述符

    write(fd1, &val, 4);          

    return 0;
}

执行生成可执行文件：arm-linux-gnueabihf-gcc first_drv_test.c -o first_drv_test

拷贝到开发板后执行报错，发现如果open()打不开,会返回-1：

是因为我们没有创建dev/xxx这个设备节点,然后我们来创建,使它等于刚刚挂载好的first_drv模块。设备节点的手动创建，可参考： linux中在/dev/下手动创建设备节点

mknod -m 660 /dev/xxx c 246 0 // first_drv模块的主设备号=246

./first_drv_test

OK。

2.1、自动创建设备节点

对于每个设备，如果都需要这样手动创建的话，那也太麻烦了。
可以使用自动创建设备节点，Linux有udev、mdev的机制，而我们的ARM开发板上移植的有udev机制，然后udev机制会通过class类来找到相应类的驱动设备来自动创建设备节点 (前提需要有udev)。
具体udev相关知识这里不详细阐述，可以移步Linux 文件系统与设备文件系统 —— udev 设备文件系统，这里主要讲使用方法。
在驱动用加入对udev 的支持主要做的就是：在驱动初始化的代码里调用class_create(...)为该设备创建一个class，再为每个设备调用device_create(...)创建对应的设备。

(1)首先创建一个class设备类，然后在class类下，创建一个class_device，即类下面创建类的设备;

static struct class *firstdrv_class;               //创建一个class类
static struct class_device   *firstdrv_class_devs; //创建类的设备

(2)在first_drv_init入口函数中添加:

//创建类,它会在sys/class目录下创建firstdrv_class这个类
firstdrv_class= class_create(THIS_MODULE,"firstdrv");  
 
//创建类设备,会在sys/class/firstdrv_class类下创建xyz设备,
//然后udev通过这个自动创建/dev/first_drv这个设备节点,     
firstdrv_class_devs=device_create(firstdrv_class,NULL,MKDEV(major,0),NULL,"first_drv");

(3)在first_drv_exit出口函数中添加:

 device_unregister(firstdrv_class_devs);      //注销类设备,与class_device_create对应
 class_destroy(firstdrv_class);  //注销类,与class_create对应

这样，就不需要再mknod了。
驱动程序first_drv_open first_drv_write中只是打印数据,接下来下一节便开始来实际硬件操作。