linux 驱动程序 设备模块 设备号 设备文件创建 设备注册 字符驱动设备分析

摘要: linux 驱动程序 设备模块 设备号 设备文件创建 设备注册 字符驱动设备分析

驱动程序分为三部分：驱动设计模式（linux规定的）内核相关模块 硬件知识 。设备文件存放目录在 /dev下面

驱动模块分类：

• 字符驱动模块(高)：以字节为最小访问单位，常常实现open,read,write

• 网络驱动模块：以块为最小访问单位，一般最小块512字节，可以是512字节的整数倍，但是linux允许块设备访问任意字节。
  

• 块设备驱动模块：网络事务
  

驱动模块添加方式 手动和编译进内核

• 模块手动命令添加到内核，.ko文件。insmod 

• 编译进内核，

    1，vi Kconfig 

    config HELLO （HELLO 模块名字）

        bool "hello driver" (menuconfig 菜单中出现的名字)

    保存，make menuconfig 就会出现新的选项 hello driver

    2，vi Makefile 

                设备操作方式

设备号用来区分设备文件。分为主设备号和次设备号

• 主设备号：字符设备文件与字符设备驱动连接

• 次设备号：由于设备可能多个，可以用次设备号，区分哪个设备。

设备号关键字dev_t  为unsigned int 32类型, 高12位主设备号，低20位为次设备号

MAJOR(dev_t dev)可以得到主设备，MINOR(dev_t dev)得到次设备

linux如何分配主设备号 静态和动态分配

• 静态申请

    开发者自己申请 register_chrdev_region函数注册设备号

    优点：简单

    缺点：容易重复冲突

• 动态申请

    内核分配 alloc_chrdev_region函数分配

    优点：易于驱动推广

    缺点：无法在安装驱动前创建设备文件

注销设备号 unregister_chrdev_region()释放设备号

linux创建设备文件 手动mknod和自动class_create device_create

• 使用mknod手工创建

    mknod filename type major minor

    mknod serial0 c 100 0 ;创建名字为 serial0 字符设备 主设备号100，次设备号0 

• 自动创建 

    利用udev（mdev）来实现设备文件的自动创建，首先应保证支持udev（mdev），由busybox配置。在驱动初始

    化代码里调用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。

设备操作中几个重要结构

• Struct File；代表一个打开的文件，系统每打开一个文件就关联一个struct file，文件关闭时释放

• loff_t f_pos ；文件读写位置，文件读写指针位置是变化的
  

    struct file_operations *f_op ；操作函数指针的集合，.参数：指针指向后面的函数 用于 用户空间与驱动程序进行通信

    

    内核操作使用上面变量时，就会给.owner 的THIS_MODULE加1。引用计数，可以通过lsmod 查看。只有模块计数为       0，才可以卸载模块

    上面函数名字可以随便起；mem_read但是函数参数不能改，如

    

    参数第一个是文件指针fd，第二个缓存，第三个是个数，第四个是文件位置

• Struct Inode :文件记录了设备信息，一个文件一个Inode

设备注册 步骤

字符设备使用struct cdev描述

• 分配cdev空间，使用指针时需要 struct cdev *cdev_alloc(void)分配内存
  

• 初始化cdev。cdev_init(cdev,ops);

• 内核添加cdev。cdev_add（设备结构，设备号，设备个数），设备文件与设备号连接起来了

• 设备注销 cdev_del(struct cdev *p);
  

内核与用户空间指针进行传值的专门函数copy_from_user(),copy_to_user()，他们之间不能直接传值

设备添加/卸载的结构图

例子

/*********************************************/
#ifndef _MEMDEV_H_
#define _MEMDEV_H_
#ifndef MEMDEV_MAJOR
#define MEMDEV_MAJOR 190   /*预设的mem的主设备号*/
#endif
#ifndef MEMDEV_NR_DEVS
#define MEMDEV_NR_DEVS 2    /*设备数*/
#endif
#ifndef MEMDEV_SIZE
#define MEMDEV_SIZE 4096//分配内存的大小
#endif
/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev                                     
{                                                        
  char *data; //分配到的内存的起始地址                     
  unsigned long size;  //内存的大小 
};
#endif /* _MEMDEV_H_ */
/*********************************************/

dev.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include "memdev.h"
static mem_major = MEMDEV_MAJOR;
module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
struct cdev cdev; 
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    struct mem_dev *dev;
    
    /*获取次设备号*/
    int num = MINOR(inode->i_rdev);// inode->i_rdev包含实际的设备编号
    if (num >= MEMDEV_NR_DEVS) 
            return -ENODEV;
    dev = &mem_devp[num];
    
    /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
    filp->private_data = dev;//使用这个成员来指向分配的数据
    
    return 0; 
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  return 0;
}
/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)//buf缓存区，size读取文件大小，ppos当前读写位置
{
  unsigned long p =  *ppos;//p为当前读写位置
  unsigned int count = size;//一次读取的大小
  int ret = 0;
  struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
  /*判断读位置是否有效*/
  if (p >= MEMDEV_SIZE)//是否超出读取获围
    return 0;
  if (count > MEMDEV_SIZE - p)
    count = MEMDEV_SIZE - p;//count大于可读取的范围，则缩小读取范围。
  /*读数据到用户空间*/
  if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))//返回buf,读取位置，读取数量
  {
    ret =  - EFAULT;
  }
  else
  {
    *ppos += count;//将文件当前位置向后移
    ret = count;//返回实际读取字节数
    
    printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p);
  }
  return ret;//返回实际读取字节数，判断读取是否成功
}
/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)//write和read类似，直接参考read
{
  unsigned long p =  *ppos;
  unsigned int count = size;
  int ret = 0;
  struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
  
  /*分析和获取有效的写长度*/
  if (p >= MEMDEV_SIZE)
    return 0;
  if (count > MEMDEV_SIZE - p)
    count = MEMDEV_SIZE - p;
    
  /*从用户空间写入数据*/
  if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
    ret =  - EFAULT;
  else
  {
    *ppos += count;
    ret = count;
    
    printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);
  }
  return ret;
}
/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)//作改变文件中的当前读/写位置, 并且新位置作为(正的)返回值在测试程序中要重新定位文件位置，whence这里被设置为 SEEK_SET
{ 
    loff_t newpos;
    switch(whence) {
      case 0: /* SEEK_SET */
        newpos = offset;//从文件头开始定位
        break;
      case 1: /* SEEK_CUR */
        newpos = filp->f_pos + offset;//从文件中间定位
        break;
      case 2: /* SEEK_END */
        newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;//从文件尾开始定位，由于是从0开始，所以要减1
        break;
      default: /* can't happen */
        return -EINVAL;
    }
    if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))
     return -EINVAL;
     
    filp->f_pos = newpos;//返回当前文件位置
    return newpos;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
  .owner = THIS_MODULE,
  .llseek = mem_llseek,
  .read = mem_read,
  .write = mem_write,
  .open = mem_open,
  .release = mem_release,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)  //初始化模块
{
  int result;
  int i;
  dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);//MKDEV是将主设备号和次设备号转换为dev_t类型数据,参数mem_major在头文件中预设为254
 
  /* 静态申请设备号*/
  if (mem_major)//memdev.h 中定义了为254。所以本例为静态分配主设备号254
    result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");//devno为主设备号，共申请两个连续的设备，设备名为"memdev"
  else  /* 动态分配设备号 */
  {
    result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");//&devno作为一个输出参数，次设备号从0开始分配，申请2个设备，设备名为"memdev"
    mem_major = MAJOR(devno);//获取动态分配到的主设备号。
  }  
  
  if (result < 0)//result返回0时为申请成功，反加负值为申请失败。
    return result;
  /*初始化cdev结构*/
  cdev_init(&cdev, &mem_fops);//初始化cdev结构，将结构体cdev和mem_fops绑定起来
  cdev.owner = THIS_MODULE;//驱动引用计数，作用是这个驱动正在使用的时候，你再次用inmod命令时，出现警告提示
  cdev.ops = &mem_fops;
  
  /* 注册字符设备 */
  cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);//MEMDEV_NR_DEVS=2，分配2个设备
   
  /* 为设备描述结构分配内存*/
  mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);//kmalloc函数返回的是虚拟地址(线性地址).
  if (!mem_devp)    /*申请失败*/
  {
    result =  - ENOMEM;
    goto fail_malloc;
  }
  memset(mem_devp, 0, MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev));//新申请的内存做初始化工作
  
  /*为设备分配内存*/
  for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++) 
  {
        mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;//#define MEMDEV_SIZE 4096
        mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);//分配内存给两个设备
        memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);//初始化新分配到的内存
  }
    
  return 0;
  fail_malloc: 
  unregister_chrdev_region(devno, 1);//如果申请失败，注销设备
  
  return result;
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
  cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/
  kfree(mem_devp);     /*释放设备结构体内存*/
  unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_AUTHOR("cicue");
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);

Makefile

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
    obj-m := memdev.o
else
 
KDIR := /forlinux/linux-3.0.1
all:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-
clean:
    rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers
endif

测试程序

#include 
int main()
{
 FILE *fp0 = NULL;
 char Buf[4096];
 
 /*初始化Buf*/
 strcpy(Buf,"Mem is char dev!");
 printf("BUF: %s\n",Buf);
 
 /*打开设备文件*/
 fp0 = fopen("/dev/memdev0","r+");
 if (fp0 == NULL)
 {
  printf("Open Memdev0 Error!\n");
  return -1;
 }
 
 /*写入设备*/
 fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);
 
 /*重新定位文件位置（思考没有该指令，会有何后果)*/
 fseek(fp0,0,SEEK_SET);//调用mem_llseek（）定位
 
 /*清除Buf*/
 strcpy(Buf,"Buf is NULL!");
 printf("BUF: %s\n",Buf);
 
 
 /*读出设备*/
 fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);
 
 /*检测结果*/
 printf("BUF: %s\n",Buf);
 
 return 0; 
}

1，将编译的.ko和app都下载到开发板

2，加载模块.ko insmod memdev.ko

3，创建设备文件 手动创建过程 (动态分配时：设备号查看 cat /proc/devices 安装设备就会在该目录下出现相应的设备和设备号)

cd /dev

mknod  memdev0 c 190 0 （设备号要对应起来 运行这个后 会在/dev目录下创建相应的文件）

4，让后去运行app文件 ./memapp