字符设备驱动理解

设备驱动的含义

    C库中通过open/read/write/seek等来操作文件，所谓字符设备驱动，简单来说就是实现这几个函数的具体内容，linux能把设备抽象为文件，用户调用open/read/write/seek对抽象的文件进行操作就可以操作实际硬件设备（或抽象的设备）。所以字符设备驱动的重点，在于编写内核空间的open/read/write/seek等函数。

    可见，字符设备并不是一个完整的main函数，其框架更像是一个支持fileOperations的lib。用户空间通过系统调用（int 80，软中断）来使用这个lib，lib之间的调用通过内核符号表来完成解析。

内核编程与驱动开发的关系    

    驱动开发是内核编程的一种，内核编程包括的范围很大（文件系统，内存管理，源码修改）。

字符设备驱动框架

（1）init、exit函数，供模块加载（初始化）、卸载（扫尾工作）使用；

（2）file operations： open/read/write/seek/ioctl等；

框架加载流程

（1）动态分配主设备号（标识驱动），从设备号（标识设备）；

（2）字符设备（struct cdev）空间分配（cdev_alloc）；

（3）字符设备cdev_init，与file operation关联；

（4）添加字符设备（cdev_add）。

通过insmod具体过程理解字符设备

（1）分配内存空间，加载字符设备驱动正文；

（2）通过内核符号表解析正文；

（3）调用module_init宏指定的init函数（init完成后就将init函数扔掉，释放部分内存）。

重要结构：

（1）struct file_operations： open/read/write/seek/ioctl等

（2）struct file（文件描述符）：*f_op（即file_operations）, *private_data（各file_operations间交互中介）

（3）struct inode（表示文件节点）：节点号，uid，gid，引用计数

（4）struct cdev（表示字符设备）：设备号，file operation

示例代码1：字符设备驱动模块程序（c语言）

/**********************************************
***	一个简单的linux字符设备驱动示例
***	Autor:			ybdesire
*** Create Date:	2012-11-12
***	Completion Date:2012-11-25
**********************************************/


#include 		//模块init/exti必备  
#include 	//同上
#include 	//struct task_struct *current
#include 		//file_operation, file, inode
#include 	//设备号相关,eg MAJOR, MINOR, MKDEV
#include 		//字符设备相关操作，init，add，del
#include 		//kmalloc, kfree
#include 	//copy_to_user, copy_from_user

//各个file operation之间可用struct file中的private_data传递参数
int chardd_open( struct inode *inode, struct file *filp)
{
    printk(KERN_EMERG "chardd_open\n");
    printk(KERN_EMERG "chardd open thread pid: %d\n", current->pid);//显示当前open设备的进程号
    return 0;
}

int chardd_release( struct inode *inode, struct file *flip )
{
    printk(KERN_EMERG "chardd_release\n");
    return 0;
}

int chardd_read( struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *ppos )
{
    if(filp->private_data==NULL)
        printk(KERN_EMERG "in read: private data in file struct is NULL\n");
    else
    {
        printk(KERN_EMERG "in read: private data in file struct is not NULL\n");
        copy_to_user(buf, filp->private_data, count);//将内核空间中filp->private_data指向的数据拷贝到用户空间buf
    }

    kfree(filp->private_data); //拷贝完后释放kmalloc出来的堆空间
	filp->private_data = NULL;
    return 0;
}

int chardd_write( struct file *filp, const char *buf, size_t count, loff_t *offp )
{
    if(filp->private_data==NULL)//若指针为空，为其分配空间
    {
        printk(KERN_EMERG "in write: private data in file struct is NULL\n");
        filp->private_data = (void*)kmalloc(100, GFP_KERNEL);
    }
    else
        printk(KERN_EMERG "in write: private data in file struct is not NULL\n");

    copy_from_user(filp->private_data, buf, count);//将用户空间buf中的数据拷贝到内核空间filp->private_data

    return 0;
}

struct file_operations chardd_fops =
{
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = chardd_open,
    .release = chardd_release,
    .read = chardd_read,
    .write = chardd_write,
};


dev_t dev; //device number
struct cdev *chardd_dev = NULL;

static int __init initchardd(void)
{
    int rt;
    int chardd_minor = 5;
    int chardd_count = 2;
	//动态申请主设备号，为chardd_count个设备申请，得到的主设备号依次递增
	//若返回主设备号为200，则设备1的设备号（主200, 从5），设备2的设备号（主200, 从6）
	//本例设备名为chardd，注册成功可用cat /proc/devices查看
    rt = alloc_chrdev_region(&dev, chardd_minor, chardd_count, "chardd");

    if(rt==0)
    {
    	printk(KERN_INFO "char device driver init ok");
        printk(KERN_INFO "char device drive major device num: %d\n", MAJOR(dev));
        printk(KERN_INFO "char device drive minor device num: %d\n", MINOR(dev));
    }
    else
    	printk(KERN_INFO "char device driver init NOT ok");

    chardd_dev = cdev_alloc();//为字符设备申请空间
    if(chardd_dev==NULL)
    	printk(KERN_INFO "cdev alloc error");
    else
    	printk(KERN_INFO "cdev alloc ok");

    chardd_dev->ops = &chardd_fops;//绑定fileoepration操作
    cdev_init(chardd_dev, &chardd_fops);

    printk(KERN_INFO "cdev init ok");
    rt = cdev_add(chardd_dev, dev, 1); //添加字符设备
    if(rt==0)
    	printk(KERN_INFO "cdev add ok");
    else
    	printk(KERN_INFO "cdev add error");
    return 0;
    
}

static void __exit exitchardd(void)
{
    int chardd_count = 2;
	//释放设备号
    unregister_chrdev_region(dev, chardd_count);
	//删除字符设备
    cdev_del(chardd_dev);
    printk(KERN_INFO "char device driver exit");
}


module_init(initchardd);
module_exit(exitchardd);


MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
MODULE_AUTHOR("ybdesire");
MODULE_DESCRIPTION("a .ko character device driver demo");
MODULE_VERSION("v10");

【使用】编译（make），加载（insmod），mknod 到/dev/chardd

示例代码2：用户空间使用驱动（c语言）

/**********************************************
***	字符设备驱动测试程序
***	Autor:			ybdesire
*** Create Date:	2012-11-23
***	Completion Date:2012-11-25
**********************************************/

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

int main()
{
    int fp, ret;
    unsigned char ch[]="hello kernel device driver!";
    unsigned char *buf1 = (unsigned char *)malloc(sizeof(ch)+1);
    unsigned char *buf2 = (unsigned char *)malloc(sizeof(ch)+1);
	//init buff
    memset(buf1, 0, sizeof(ch)+1);
    memset(buf2, 0, sizeof(ch)+1);
    strcpy(buf1, ch);//ch to buf1
	//打开设备驱动，前提是用mknode把字符设备建立为/dev/chardd
    fp = open("/dev/chardd", O_RDONLY);
    printf("fp is %d\n", fp);
	
    ret = write(fp, buf1, sizeof(ch));//write buf1 to fp
    printf("write return : %d\n", ret);
    
    ret = read(fp, buf2, sizeof(ch));//read fp to buf2

    printf("read return : %d\n", ret);
    printf("read data:%s\n", buf2);
    close(fp);
    return 0;
}

【编译过程及使用示例】

ybde @ubuntu:~/Test/Driver/ch3/chardd$ sudo insmod chardd.ko 
ybde @ubuntu:~/Test/Driver/ch3/chardd$ mknod /dev/chardd c 250 5
ybde: "/dev/chardd": 权限不够
ybde @ubuntu:~/Test/Driver/ch3/chardd$ sudo mknod /dev/chardd c 250 5
ybde @ubuntu:~/Test/Driver/ch3/chardd$ cd main/	（main中为测试代码）	
ybde @ubuntu:~/Test/Driver/ch3/chardd/main$ gcc main.c 
ybde @ubuntu:~/Test/Driver/ch3/chardd/main$ ./a.out 
fp is -1
write return : -1
read return : -1
read data:
ybde @ubuntu:~/Test/Driver/ch3/chardd/main$ sudo ./a.out 
fp is 3
write return : 0
read return : 0
read data:hello kernel device driver!
ybde @ubuntu:~/Test/Driver/ch3/chardd/main$ 

注意：

1、insmod后的驱动模块，可以cat /proc/devices查看到，但只有/dev/中出现，用户程序才好open这个设备，怎么让/dev/中也出现设备呢？

【解答】 $ mknode     /dev/mydev    c     majorDeviceNum     minorDeviceNum

2、应用程序中不能使用字符设备，比如open出错，

【解答】可能是权限问题，sudo ./a.out就能正确

3、可以通过strace来查看程序执行所调用过的所有系统调用，以及它们的返回值等执行状态

【例如】

$  strace ./a.out

...

open("/dev/chardd", O_RDONLY)           = 3

...

write(3, "hello kernel device driver!\0", 28) = -1 EBADF (Bad file descriptor)

...

可发现write报错Bad file descriptor，再往上看，open返回的文件描述符是3，也没错啊。但是，open的文件模式是readonly，肯定不能write的，改成O_RDWR就好了。

4、多个字符设备重名怎么办（cat /proc/devices下的名字）

【解答】只要设备号不同就没关系，用户空间要打开的都是mknode到/dev/中的，mknode就指定了设备号

5、需考虑并发，一般在write中做内存管理

参考：

[1] LINUX设备驱动程序，第三版

[2] http://tieba.baidu.com/f?kz=820619489，提纲挈领的讲述了dirver与os间的联系

[3] 本文源码包，含makefile，已编译通过        http://download.csdn.net/detail/ybdesire/4808652