linux驱动开发 - 03_新字符设备驱动
文章目录
-
- 1 Linux 设备号
-
- 1.1 设备号的组成
- 1.2 设备号的分配
- 2. 新字符设备驱动原理
-
- 2.1 分配和释放设备号
- 2.2 新的字符设备注册方法
-
- 1、字符设备结构
- 2、cdev_init 函数
- 3、cdev_add 函数
- 3、 cdev_del 函数
- 3 自动创建设备节点
-
- 3.1 mdev 机制
- 3.2 创建和删除类
- 3.3 创建设备
- 3.4 参考示例
- 4 设置文件私有数据
- 5 实验程序编写
-
- 5.1 LED 灯驱动程序编写
- 5.2 编写测试 APP
- 6. 运行测试
-
- 6.1 编译驱动程序和测试 APP
-
- 1、编译驱动程序
- 2、编译测试 APP
- 3.2 运行测试
字符设备驱动开发重点是使用 register_chrdev 函数注册字符设备，当不再使用设备的时候就使用unregister_chrdev 函数注销字符设备，驱动模块加载成功以后还需要手动使用 mknod 命令创建设备节点。
register_chrdev 和 unregister_chrdev 这两个函数是老版本驱动使用的函数，现在新的字符设备驱动已经不再使用这两个函数，而是使用Linux内核推荐的新字符设备驱动API函数。学习一下如何编写新字符设备驱动，并且在驱动模块加载的时候自动创建设备节点文件。
1 Linux 设备号
1.1 设备号的组成
Linux 中每个设备都有一个设备号，设备号由主设备号和次设备号两部分组成，主设备号表示某一个具体的驱动，次设备号表示使用这个驱动的各个设备。 Linux 提供了一个名为 dev_t 的数据类型表示设备号， dev_t 定义在文件 include/linux/types.h 里面，定义如下：
设备号 dev_t
typedef __u32 __kernel_dev_t;
......
typedef __kernel_dev_t dev_t;
typedef unsigned int __u32;
dev_t 其实就是 unsigned int 类型，是一个 32 位的数据类型。这 32 位的数据构 成了主设备号和次设备号两部分，其中高 12 位为主设备号， 低 20 位为次设备号。
因此 Linux系统中主设备号范围为 0~4095，在选择主设备号的时候一定不要超过这个范围。在文件 include/linux/kdev_t.h 中提供了几个关于设备号的操作函数(本质是宏)
设备号操作函数
6 #define MINORBITS 20
7 #define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)
8
9 #define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
10 #define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
11 #define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))
第 6 行，宏 MINORBITS 表示次设备号位数，一共是 20 位。
第 7 行，宏 MINORMASK 表示次设备号掩码。
第 9 行，宏 MAJOR 用于从 dev_t 中获取主设备号，将 dev_t 右移 20 位即可。
第 10 行，宏 MINOR 用于从 dev_t 中获取次设备号，取 dev_t 的低 20 位的值即可。
第 11 行，宏 MKDEV 用于将给定的主设备号和次设备号的值组合成 dev_t 类型的设备号。
1.2 设备号的分配
1、静态分配设备号
使用“cat /proc/devices”命令即可查看当前系统中所有已经使用了的设备号, 已经分配掉的主设备号我们就不能用了 。
2、动态分配设备号
Linux 社区推荐使用动态分配设备号，在注册字符设备之前先申请一个设备号，系统会自动给你一个没有被使用的设备号，这样就避免了冲突。卸载驱动的时候释放掉这个设备号即可，设备号的申请函数如下：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
函数 alloc_chrdev_region 用于申请设备号，此函数有 4 个参数：
- dev：保存申请到的设备号。
- baseminor： 次设备号起始地址， alloc_chrdev_region 可以申请一段连续的多个设备号，这些设备号的主设备号一样，但是次设备号不同，次设备号以 baseminor 为起始地址地址开始递增。一般 baseminor 为 0，也就是说次设备号从 0 开始。
- count： 要申请的设备号数量。
- name：设备名字。
注销字符设备之后要释放掉设备号，设备号释放函数如下：
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
- from：要释放的设备号。
- count： 表示从 from 开始，要释放的设备号数量。
2. 新字符设备驱动原理
2.1 分配和释放设备号
使用 register_chrdev 函数注册字符设备的时候只需要给定一个主设备号即可，但是这样会带来两个问题：
①、需要我们事先确定好哪些主设备号没有使用。
②、会将一个主设备号下的所有次设备号都使用掉，比如现在设置 LED 这个主设备号为200，那么 0~1048575(2^20-1)这个区间的次设备号就全部都被 LED 一个设备分走了。这样太浪费次设备号了！一个 LED 设备肯定只能有一个主设备号，一个次设备号
解决这两个问题最好的方法就是要使用设备号的时候向 Linux 内核申请，需要几个就申请几个，由 Linux 内核分配设备可以使用的设备号。
- 如果没有指定设备号的话就使用如下函数来申请设备号：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
- 如果给定了设备的主设备号和次设备号就使用如下所示函数来注册设备号即可：
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
参数 from 是要申请的起始设备号，也就是给定的设备号；
参数 count 是要申请的数量，一般都是一个；参数 name 是设备名字。
- 注销字符设备之后要释放掉设备号，不管是通过alloc_chrdev_region函数还是register_chrdev_region函数申请的设备号，统一使用如下释放函数：
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
新字符设备驱动下，设备号分配示例代码如下：
int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */
dev_t devid; /* 设备号 */
/* 注册字符设备驱动 */
if (major) { /* 定义了设备号 */
devid = MKDEV(major, 0); /* 大部分驱动次设备号都选择 0*/
register_chrdev_region(devid, 1, "test");
} else { /* 没有定义设备号 */
alloc_chrdev_region(&devid, 0, 1, "test"); /* 申请设备号 */
major = MAJOR(devid); /* 获取分配号的主设备号 */
minor = MINOR(devid); /* 获取分配号的次设备号 */
}
-
第 1~3 行，定义了主/次设备号变量 major 和 minor，以及设备号变量 devid。
-
第 5 行，判断主设备号 major 是否有效，在 Linux 驱动中一般给出主设备号的话就表示这
个设备的设备号已经确定了，因为次设备号基本上都选择 0，这算个 Linux 驱动开发中约定俗
成的一种规定了 -
第 6 行，如果 major 有效的话就使用 MKDEV 来构建设备号，次设备号选择 0。
-
第 7 行，使用 register_chrdev_region 函数来注册设备号
-
第 9~11 行，如果 major 无效，那就表示没有给定设备号。此时就要使用 alloc_chrdev_region
函数来申请设备号。设备号申请成功以后使用 MAJOR 和 MINOR 来提取出主设备号和次设备号 -
第 10 和 11 行提取主设备号和次设备号
注销设备号，使用如下代码
unregister_chrdev_region(devid, 1); /* 注销设备号 */
2.2 新的字符设备注册方法
1、字符设备结构
在 Linux 中使用 cdev 结构体表示一个字符设备， cdev 结构体在 include/linux/cdev.h 文件中的定义如下：
struct cdev {
struct kobject kobj;
struct module *owner;
const struct file_operations *ops;
struct list_head list;
dev_t dev;
unsigned int count;
};
在 cdev 中有两个重要的成员变量： ops 和 dev，这两个就是字符设备文件操作函数集合file_operations 以及设备号 dev_t。编写字符设备驱动之前需要定义一个 cdev 结构体变量，这个变量就表示一个字符设备，如下所示：
struct cdev test_cdev;
2、cdev_init 函数
定义好 cdev 变量以后就要使用 cdev_init 函数对其进行初始化， cdev_init 函数原型如下：
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
- 参数 cdev 就是要初始化的 cdev 结构体变量，参数 fops 就是字符设备文件操作函数集合。
使用 cdev_init 函数初始化 cdev 变量的示例代码如下：
struct cdev testcdev;
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations test_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
/* 其他具体的初始项 */
};
testcdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&testcdev, &test_fops); /* 初始化 cdev 结构体变量 */
3、cdev_add 函数
cdev_add 函数用于向 Linux 系统添加字符设备(cdev 结构体变量)，使用 cdev_add 函数向 Linux 系统添加这个字符设备
cdev_add 函数原型如下：
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
-
参数 p 指向要添加的字符设备(cdev 结构体变量)，
-
参数 dev 就是设备所使用的设备号，
-
参数 count 是要添加的设备数量。
加入 cdev_add 函数，内容如下所示：
struct cdev testcdev;
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations test_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
/* 其他具体的初始项 */
};
testcdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&testcdev, &test_fops); /* 初始化 cdev 结构体变量 */
cdev_add(&testcdev, devid, 1); /* 添加字符设备 */
Linux 内核中大量的字符设备驱动都是采用这种方法向 Linux 内核添加字符设备。
3、 cdev_del 函数
卸载驱动的时候一定要使用 cdev_del 函数从 Linux 内核中删除相应的字符设备 cdev_del函数原型如下：
void cdev_del(struct cdev *p)
参数 p 就是要删除的字符设备。如果要删除字符设备，参考如下代码：
cdev_del(&testcdev); /* 删除 cdev *
cdev_del 和 unregister_chrdev_region 这两个函数合起来的功能相当于 unregister_chrdev 函数。
3 自动创建设备节点
如何实现自动创建设备节点，在驱动中实现自动创建设备节点的功能以后，使用 modprobe 加载驱动模块成功的话就会自动在/dev 目录下创建对应的设备文件。
3.1 mdev 机制
-
udev 是一个用户程序，在 Linux 下通过 udev 来实现设备文件的创建与删除， udev 可以检测系统中硬件设备状态，可以根据系统中硬件设备状态来创建或者删除设备文件。比如使用modprobe 命令成功加载驱动模块以后就自动在/dev 目录下创建对应的设备节点文件,使用rmmod 命令卸载驱动模块以后就删除掉/dev 目录下的设备节点文件。
-
使用 busybox 构建根文件系统的时候， busybox 会创建一个 udev 的简化版本—mdev，所以在嵌入式 Linux 中我们使用 mdev 来实现设备节点文件的自动创建与删除， Linux 系统中的热插拔事件也由 mdev 管理，在/etc/init.d/rcS 文件中如下语句
echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug
如何通过 mdev 来实现设备文件节点的自动创建与删除。
3.2 创建和删除类
-
自动创建设备节点的工作是在驱动程序的入口函数中完成的，一般在 cdev_add 函数后面添加自动创建设备节点相关代码。
-
首先要创建一个 class 类， class 是个结构体，定义在文件include/linux/device.h 里面。 class_create 是类创建函数， class_create 是个宏定义，内容如下：
#define class_create(owner, name) \
({ \
static struct lock_class_key __key; \
__class_create(owner, name, &__key); \
})
struct class *__class_create(struct module *owner, const char *name,
struct lock_class_key *key)
根据上述代码，将宏 class_create 展开以后内容如下：
struct class *class_create (struct module *owner, const char *name)
class_create 一共有两个参数，参数 owner 一般为 THIS_MODULE，参数 name 是类名字。返回值是个指向结构体 class 的指针，也就是创建的类。
卸载驱动程序的时候需要删除掉类，类删除函数为 class_destroy，函数原型如下：
void class_destroy(struct class *cls);
参数 cls 就是要删除的类。
3.3 创建设备
- 创建好类以后还不能实现自动创建设备节点，我们还需要在这个类下创建一个设备。使用 device_create 函数在类下面创建设备， device_create 函数原型如下：
struct device *device_create(struct class *class,
struct device *parent,
dev_t devt,
void *drvdata,
const char *fmt, ...)
device_create 是个可变参数函数：
-
参数 class 就是设备要创建哪个类下面；
-
参数 parent 是父设备，一般为 NULL，也就是没有父设备；
-
参数 devt 是设备号；
-
参数 drvdata 是设备可能会使用的一些数据，一般为 NULL；
-
参数 fmt 是设备名字，如果设置 fmt=xxx 的话，就会生成/dev/xxx这个设备文件。返回值就是创建好的设备。
同样的，卸载驱动的时候需要删除掉创建的设备，设备删除函数为 device_destroy，函数原型如下：
void device_destroy(struct class *class, dev_t devt)
参数 class 是要删除的设备所处的类，参数 devt 是要删除的设备号。
3.4 参考示例
在驱动入口函数里面创建类和设备，在驱动出口函数里面删除类和设备，参考示例如下：
struct class *class; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
dev_t devid; /* 设备号 */
/* 驱动入口函数 */
static int __init led_init(void)
{
/* 创建类 */
class = class_create(THIS_MODULE, "xxx");
/* 创建设备 */
device = device_create(class, NULL, devid, NULL, "xxx");
return 0;
}
/* 驱动出口函数 */
static void __exit led_exit(void)
{
/* 删除设备 */
device_destroy(newchrled.class, newchrled.devid);
/* 删除类 */
class_destroy(newchrled.class);
}
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
4 设置文件私有数据
每个硬件设备都有一些属性，比如主设备号(dev_t)，类(class)、设备(device)、开关状态(state)等等，在编写驱动的时候可以将这些属性全部写成变量的形式，如下所示：
dev_t devid; /* 设备号 */
struct cdev cdev; /* cdev */
struct class *class; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */
对于一个设备的所有属性信息我们最好将其做 成一个结构体。编写驱动 open 函数的时候将设备结构体作为私有数据添加到设备文件中，如下 |所示：
/* newchrled设备结构体 */
struct newchrled_dev{
dev_t devid; /* 设备号 */
struct cdev cdev; /* cdev */
struct class *class; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */
};
struct test_dev testdev;
/* open 函数 */
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
filp->private_data = &testdev; /* 设置私有数据 */
return 0;
}
在 open 函数里面设置好私有数据以后，在 write、 read、 close 等函数中直接读取 private_data即可得到设备结构体。
5 实验程序编写
重点是使用了新的字符设备驱动、设置了文件私有数据、添加了自动创建设备节点相关内容
5.1 LED 灯驱动程序编写
#include -
宏 NEWCHRLED_CNT 表示设备数量，在申请设备号或者向 Linux 内核添加字符设备的时候需要设置设备数量，一般我们一个驱动一个设备，所以这个宏为 1。
-
宏 NEWCHRLED_NAME 表示设备名字，本实验的设备名为“newchrdev”，为了方便管理，所有使用到设备名字的地方统一使用此宏，当驱动加载成功以后就生成/dev/newchrled 这个设备文件。
-
在驱动入口函数 led_init 中申请设备号、添加字符设备、创建类和设备。采用动态申请设备号的方法，使用 printk 在终端上显示出申请到的主设备号和次设备号。
-
驱动出口函数 led_exit 中注销字符新设备、删除类和设备。
5.2 编写测试 APP
编写测试 APP， led 驱动加载成功以后手动创建/dev/led 节点，应用 APP 通过操作/dev/led文件来完成对 LED 设备的控制。向/dev/led 文件写 0 表示关闭 LED 灯，写 1 表示打开 LED 灯。新建 ledApp.c 文件
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#define LEDOFF 0
#define LEDON 1
/*
* @description : main主程序
* @param - argc : argv数组元素个数
* @param - argv : 具体参数
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, retvalue;
char *filename;
unsigned char databuf[1];
if(argc != 3){
printf("Error Usage!\r\n");
return -1;
}
filename = argv[1];
/* 打开led驱动 */
fd = open(filename, O_RDWR);
if(fd < 0){
printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);
return -1;
}
databuf[0] = atoi(argv[2]); /* 要执行的操作：打开或关闭 */
/* 向/dev/led文件写入数据 */
retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
if(retvalue < 0){
printf("LED Control Failed!\r\n");
close(fd);
return -1;
}
retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */
if(retvalue < 0){
printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);
return -1;
}
return 0;
}
6. 运行测试
6.1 编译驱动程序和测试 APP
1、编译驱动程序
编写 Makefile 文件
KERNELDIR := /home/kaka/linux/IMX6ULL/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := newchrled.o
build: kernel_modules
kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make -j32
编译成功以后就会生成一个名为“led.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试 APP
arm-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp
3.2 运行测试
将编译出来的led.ko和ledApp这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中 ，输入如下命令加载 led.ko 驱动模块：
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe newchrled.ko //加载驱动
驱动加载成功以后会输出申请到的主设备号和次设备号
/lib/modules/4.1.15 # modprobe newchrled.ko
newcheled major=249,minor=0
申请到的主设备号为 249，次设备号为 0。驱动加载成功以后会自动在/dev 目录下创建设备节点文件/dev/newchrdev，输入如下命令查看/dev/newchrdev 这个设备节点文件是否存在：
ls /dev/newchrled -l
/lib/modules/4.1.15 # ls /dev/newchrled -l
crw-rw---- 1 root 0 249, 0 Jan 1 00:11 /dev/newchrled
驱动节点创建成功以后就可以使用 ledApp 软件来测试驱动是否工作正常，输入如下命令打开 LED 灯：
./ledApp /dev/led 1 //打开 LED 灯
如果点亮的话 说明驱动工作正常。在输入如下命令关闭 LED 灯：
./ledApp /dev/led 0 //关闭 LED 灯
卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod led.ko