5、Linux驱动开发：设备-设备注册

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  随着自己工作的进行，接触到的技术栈也越来越多。给我一个很直观的感受就是，某一项技术/经验在刚开始接触的时候都记得很清楚。往往过了几个月都会忘记的差不多了，只有经常会用到的东西才有可能真正记下来。存在很多在特殊情况下有一点用处的技巧，用的不多的技巧可能一个星期就忘了。

  想了很久想通过一些手段把这些事情记录下来。也尝试过在书上记笔记，这也只是一时的，书不在手边的时候那些笔记就和没记一样，不是很方便。

  很多时候我们遇到了问题，一般情况下都是选择在搜索引擎检索相关内容，这样来的也更快一点，除非真的找不到才会去选择翻书。后来就想到了写博客，博客作为自己的一个笔记平台倒是挺合适的。随时可以查阅，不用随身携带。

  同时由于写博客是对外的，既然是对外的就不能随便写，任何人都可以看到。经验对于我来说那就只是经验而已，公布出来说不一定我的一些经验可以帮助到其他的人。遇到和我相同问题时可以少走一些弯路。

  既然决定了要写博客，那就只能认真去写。不管写的好不好，尽力就行。千里之行始于足下，一步一个脚印，慢慢来 ，写的多了慢慢也会变好的。权当是记录自己的成长的一个过程，等到以后再往回看时，就会发现自己以前原来这么菜。

  本系列博客所述资料均来自互联网资料，并不是本人原创（只有博客是自己写的）。出于热心，本人将自己的所学笔记整理并推出相对应的使用教程，方面其他人学习。为国内的物联网事业发展尽自己的一份绵薄之力，没有为自己谋取私利的想法。若出现侵权现象，请告知本人，本人会立即停止更新，并删除相应的文章和代码。

字符设备架构

  字符设备的驱动架构，我们可将其分为四个部分，分别是用户层、VFS层、驱动层、物理层。

用户层

  在Linux的设计理念中，一切皆是文件，所有的硬件设备操作到应用层都会被抽象成文件的操作。

  字符设备也不例外，在Linux操作系统中，每个驱动程序在应用层的/dev目录下都会有一个设备文件和它对应。

root@ubuntu:/home/peng/Desktop/driver/Learning/5_cdev# ll /dev/ttyS*
crw-rw---- 1 root dialout 4, 64 Jul 25 06:30 /dev/ttyUSB0
crw-rw---- 1 root dialout 4, 65 Jul 25 06:30 /dev/ttyUSB1

  以ttyUSB设备举例，我们可以通过标准文件操作的的方式，也就是open、read、write等方式直接访问该设备。

#include 
#include 
#include 
#include 
void main(void)
{
	int fd;
	fd = open("/dev/ttyUSB0",O_RDWR);
	if(fd<0)
	{
		perror("open fail \n");
		return;
	}
	printf("open ok \n ");
}

  除文件接口之外，还可以通过shell的方式，也就是echo、cat等命令对其进行读写操作。这里不做演示。

VFS层

  在Linux文件系统中，每个文件都用一个struct inode结构体来描述，这个结构体里面记录了这个文件的所有信息。这里操作的是字符设备驱动，需要注意的信息有设备号、设备类型、设备的结构体。

struct inode {
	// 记录设备的类型
	umode_t			i_mode;
	xxxxxxxxxxxxx
	// 记录文件所对应的设备号
	dev_t			i_rdev;
	xxxxxxxxxxxxx
	union {
		xxxxxxxxxxxxx
		// 记录描述字符设备的结构体
		struct cdev		*i_cdev;
	};
};

  当用户层打开设备文件时，可以根据设备文件对应的struct inode结构体描述的信息，知道接下来要操作的设备类型（字符设备还是块设备）。

  在Linux操作系统中，每个驱动程序都要分配一个主设备号。在设备号注册章节中提到了怎么注册设备到/proc/devices中，其中就可以通过自动或者手动的方式去申请设备号。

  根据struct inode结构体里面记录的设备号，就可以找到对应的驱动程序。

  前面的操作主要是在打开文件时能找到驱动设备，在文件被打开后。VFS层会给应用层返回一个文件描述符（fd)。

  这个fd是和struct file结构体对应的。上层的应用程序就可以通过fd来找到strut file，然后在由struct file找到操作字符设备的函数接口(file_operations)了。struct file是在打开文件找到驱动设备后，才被赋值的，驱动层部分会讲到。

struct file {
    xxxxxxxxxxxxx
    //记录字符设备的操作函数
    const struct file_operations	*f_op;
    xxxxxxxxxxxxx
    //文件指针偏移值
    loff_t			f_pos;
    xxxxxxxxxxxxx
};

驱动层

  以字符设备为例，在Linux操作系统中每个字符设备都对应一个char_device_struct 结构体，该结构体和主设备号相关联。该结构体中struct cdev成员描述了字符设备所有的信息。

/*fs/char_dev.c*/
static struct char_device_struct {
    struct char_device_struct *next;
    unsigned int major;
    unsigned int baseminor;
    int minorct;
    char name[64];
    struct cdev *cdev;      /* will die */
} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

/* fs.h */
#define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 255

  struct cdev结构体所记录的就是设备驱动相关的数据。其中file_operations就是用户层中用户调用接口的具体实现。其他的数据设备号（完整的设备号），以及次设备的个数了解即可。

struct cdev {
	struct kobject kobj;
	struct module *owner;
	const struct file_operations *ops; //接口函数集合
	struct list_head list;//内核链表
	dev_t dev;//设备号
	unsigned int count;//次设备号个数
};

  找到struct cdev结构体后，Linux内核就会将struct cdev结构体所在的内存空间首地记录在struct inode结构体的i_cdev成员中。将struct cdev结构体的中记录的函数操作接口file_operations 地址记录在struct file结构体的f_op成员中。

物理层

  skip

驱动实现

模块挂载

  在注册设备号之后(register_chrdev_region)。我们需要将devno保存到cdev结构体中(cdev_add)。在保存之前还需要对cdev结构体进行初始化(cdev_init)。

static dev_t devno;
static struct cdev cdev;
static int hello_init(void)
{
	int result;
	int error;	
	printk("hello_init \n");
	devno = MKDEV(237,0);	
	result = register_chrdev_region(devno, 1, "hello");
	if(result<0)
	{
		printk("register_chrdev_region fail \n");
		return result;
	}
	cdev_init(&cdev,&hello_ops);
	error = cdev_add(&cdev,devno,1);
	if(error < 0)
	{
		printk("cdev_add fail \n");
		unregister_chrdev_region(devno,1);
		return error;
	}
	return 0;
}
module_init(hello_init);

驱动操作函数

  cdev初始化时，传入的就是设备文件的操作函数。这里就简单实现了一个open和close函数。

  在file_operations结构体的成员中，release 函数指针对应的就是文件的close函数。

  当用户层app调用该设备文件的open函数时，经过内核处理，理应调用到hello_open函数往dmesg中打印"hello_open()\n"。同理，app中调用到close函数时，内核驱动中会调用到hello_release 函数往dmesg中打印"hello_release()\n"

static int hello_open(struct inode *inode, struct file *filep)
{
	printk("hello_open()\n");
	return 0;
}
int hello_release (struct inode *inode, struct file *file)
{
	printk("hello_release()\n");
	return 0;
}
static struct file_operations hello_ops = 
{
	.open = hello_open,
	.release = hello_release,
};

模块注销

  模块注销时，需要按照挂载的相反顺序去执行。先删除cdev，后对chrdev进行解注册。

static void hello_exit(void)
{
	printk("hello_exit \n");
	cdev_del(&cdev);
	unregister_chrdev_region(devno,1);
	return;
}
module_exit(hello_exit);

代码验证

  文中编写的驱动模块，由于没有配套的自动关联程序，并不会将设备号自动关联到/dev/目录中的具体设备中。

  我们只需要手动运行下面的命令，即可创建设备驱动文件绑定到主设备号为237，从设备号为0的字符设备中（命令中c代表字符设备）。

root@ubuntu:# mknod /dev/hello_test0 c 237 0

  在用户层编写app（test.c），仅调用open函数打开我们注册的**/dev/hello_test0**文件即可。其他的函数暂时未实现，直接使用则会报错。

#include 
#include 
#include 
#include 
void main(void)
{
	int fd;
	fd = open("/dev/hello_test0",O_RDWR);
	if(fd<0)
	{
		perror("open fail \n");
		return;
	}
	printf("open ok \n");
	close(fd);
	printf("close ok \n");
}

  调用gcc编译app，从app的日志中可以看到打开设备文件是正确的。查看dmesg中驱动的日志，也能看到驱动中的hello_open函数被正常调用。

root@ubuntu:/# gcc ./test.c -o test
root@ubuntu:# ./test 
open ok 
close ok 
root@ubuntu:# dmesg
[ 5964.438242] hello_open()
[ 5964.438331] hello_release()

注意：若前面没有执行mknod函数去创建设备文件。或者mknod时填入的主设备号，次设备号错误。那么这里的open函数调用也是会报错的。

root@ubuntu:# rm -rf /dev/hello 
root@ubuntu:# ./test 
open fail 
: No such file or directory
root@ubuntu:# mknod /dev/hello c 238 0
root@ubuntu:# ./test 
open fail 
: No such device or address

  那么本篇博客就到此结束了，这里只是记录了一些我个人的学习笔记，其中存在大量我自己的理解。文中所述不一定是完全正确的，可能有的地方我自己也理解错了。如果有些错的地方，欢迎大家批评指正。如有问题直接在对应的博客评论区指出即可，不需要私聊我。我们交流的内容留下来也有助于其他人查看，说不一定也有其他人遇到了同样的问题呢。