从头实现Linux字符设备驱动——2万字详解
文章目录
- 字符设备驱动基础
- 申请设备号
- 创建设备节点
- 在驱动中实现操作方法
- 文件IO调用驱动中的操作
- 应用程序与驱动的数据交互
- 内核驱动如何控制外设
- 控制LED的简单驱动实例
- 驱动程序的改进
-
- 框架复盘
- 面向对象思想
- 出错处理
- 读写硬件寄存器的改进
- 代码展示
字符设备驱动基础
参考：https://blog.csdn.net/zqixiao_09/article/details/50839042
Linux中有很多设备，主要分为三类：字符设备、块设备、网络设备。
重点学习字符设备，字符设备是以字节流的方式驱动的，典型的字符设备是LCD、键盘……
Linux中一切皆文件，如何去操作驱动呢？在应用层中通过文件IO来操作驱动，比如open()打开设备、write()向驱动写字节，即用户向驱动操作就是文件IO。用户层中调用open()、write()操作驱动，对应的在内核中实现了专门的函数提供给用户层中的操作。
问题就来了！！！
1.那么多设备，用户层中是怎么确定操作的是哪一个设备？
实际每一个设备都对应着一个设备节点，比如/dev/led就是一个LED灯的设备节点。
2.如果有多个相同类型的设备，多个设备共用一个设备节点，那要如何精确到某一个设备呢？
通过设备号来区分，每一个设备在内核中都维护一个设备号，设备号是内核区分不同设备的唯一信息，分为主设备号和次设备号，主设备号区分一类设备，次设备号区分同一类设备中的不同个设备。
3.内核是如何实现对驱动设备的操作方法？
内核通过一系列操作方法来实现对驱动设备的操作，这些操作方法封装在struct file_operations结构体中。
内核使用cdev结构体来描述一个字符设备，cdev的定义如下：
<include/linux/cdev.h>
struct cdev {
struct kobject kobj; //内嵌的内核对象.
struct module *owner; //该字符设备所在的内核模块的对象指针.
const struct file_operations *ops; //该结构描述了字符设备所能实现的方法，是极为关键的一个结构体.
struct list_head list; //用来将已经向内核注册的所有字符设备形成链表.
dev_t dev; //字符设备的设备号，由主设备号和次设备号构成.
unsigned int count; //隶属于同一主设备号的次设备号的个数.
};
就是通过cdev的成员struct file_operations所关联的操作方法来实现，对驱动设备的操作。
4.如何通过打开设备节点来绑定操作方法？
mknod将设备节点文件名、文件类型（驱动设备类型）、设备号等信息保存在磁盘上。
第一次的时候使用open()文件IO打开设备节点，里面过程比较复杂，要关注的是通过do_file_open()来构造一 个file结构体，并初始化相关成员，这里会将file的f_op成员指向file_operations。
do_filp_open()会将mknod保存在磁盘上的信息读出来，填充到内存中的inode结构的相关成员中；然后根据设备号找到添加在内核中代表字符设备的cdev，用cdev关联的file_operations操作方法替代之前初始化file结构体中的操作方法，然后调用cdev中file_operations中的打开函数，真正的完成设备打开操作，到这里就标志着do_filp_open()的结束。
虽然打开设备文件的操作很繁琐，但是打开操作会返回一个文件描述符，之后再操作驱动的时候，都是以这个文件描述符为参数传递给内核，内核得到文件描述符之后可以直接索引fd_array，找到对应的file结构体，然后调用对应的操作方法。
open(“/dev/led”);—>设备文件路径名——>创建file——>从磁盘中提取信息放在inode——>根据设备号找到cdev——>操作方法
所以！！！对于字符驱动设备来讲，设备号、cdev、操作方法集合是至关重要的，在打开一个设备的时候，内核找到设备文件路径对于的inode之后，要和驱动建立连接。首先就是根据inode中的设备号找到cdev，然后根据cdev找到关联的操作方法集合，从而调用驱动提供的操作方法来实现具体驱动的操作。可以说字符设备的驱动框架就是围绕设备号、cdev和操作方法集合来实现的。
申请设备号
设备号是向系统申请的，在模块加载的入口函数中进行设备号申请，申请设备号的函数是regsiter_chrdev()，函数原型如下：
int register_chrdev(unsigned int major, const char * name, const struct file_operations * fops);
/*
* major：设备号(32bit--dev_t)==主设备号(12bit) + 次设备号(20bit)
* name：描述一个设备信息，可以自定义。在/proc/devices 下可以查看已定义的设备
* fops：文件操作对象，提供
* 返回值： 正确返回0，错误返回负数
*/
申请设备号分为静态申请和动态申请，major直接填0就是动态申请，系统会分配一个设备号；或者可以指定一个整数来作为设备号，注意系统中可能已经占用了一些设备号。
有申请设备号，在卸载模块的时候，就要释放设备号，如下：
void unregister_chrdev(unsigned int major, const char * name);
实例代码：
#include 这里申请设备号，只是向内核注册了cdev
可以通过查看/proc/devices来获取内核注册了哪些设备号。
创建设备节点
创建设备节点也有两种方式：
- 手动创建，通过命令mknod创建设备节点，如
mknod /dev/led c 250 0 - 通过udev/mdev机制，自动创建
可以通过ls /dev查看已创建的设备节点。
手动创建时，需要在命令行下执行，有一个缺点，因为/dev目录下的文件存放在内存中，断点会丢失，所以板子重新启动之后就不会自动创建设备节点。
我们更希望在模块注册的入口函数中创建设备节点，这样每次加载模块，都可以自动创建设备节点，通过以下函数进行自动创建：
struct class *class_create(owner, name);
/*
* 创建一个类，返回一个指向类的指针
* owner：THIS_MODULE，相当于this指针
* name：字符串名字，用户自定义
* 返回一个class指针
*/
struct device *device_create(struct class * class, struct device * parent, dev_t devt,
void * drvdata, const char * fmt,...);
/*
* 创建一个设备，使用了面向对象思想
* class：通过class_create()调用之后的返回值
* parent：表示父亲设备，这里用到了面向对象的概念，一边填NULL
* devt：设备号类型 dev_t devt
#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))
* drvdata：私有数据，一般NULL
* fmt,...：可变参数，是一个字符串，设备节点的名字
*/
是先创建一个类，然后根据类来创建一个设备节点。既然有创建，在卸载模块的时候就要销毁设备节点，用到的函数如下：
void device_destroy(devcls, MKDEV(dev_major, 0));
//参数1： class结构体，class_create调用之后到返回值
//参数2： 设备号类型 dev_t
void class_destroy(devcls);
//参数1： class结构体，class_create调用之后到返回值
注意！！！创建设备节点的时候，先创建类，然后创建设备；销毁设备节点的时候，先销毁设备，然后销毁类。
实例代码如下：
#include 这样，使用insmod加载模块之后，在入口函数中会自动创建设备号和创建设备节点。
在驱动中实现操作方法
根据上面字符设备驱动基础中所讲，用户层对设备驱动节点的IO操作，在struct file_operations中会有对应的对驱动的操作。所以我们要关注两个点：
- 用户如何通过文件IO调用
struct file_operations中的操作方法 struct file_operations中的操作方法是如何实现的
struct file_operations的设计思想是面向对象的，struct file_operations中将操作方法封装为函数，通过函数指针来引用函数，如下：
struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
int (*check_flags)(int);
int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset, loff_t len);
int (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
}; //函数指针的集合，其实就是接口，我们写驱动到时候需要去实现
下面说一下如何实现，首先要声明操作方法，比如实现下面几个操作：
ssize_t my_read (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t my_write (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
int my_open (struct inode *, struct file *);
int release (struct inode *, struct file *);
ssize_t my_read (struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *fpos)
{
printk("this is %s\n", __FUNCTION__);
return 0;
}
ssize_t my_write (struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *fpos)
{
printk("this is %s\n", __FUNCTION__);
return 0;
}
int my_open (struct inode *inode, struct file *filp)
{
printk("this is %s\n", __FUNCTION__);
return 0;
}
int my_release (struct inode *inode, struct file *filp)
{
printk("this is %s\n", __FUNCTION__);
return 0;
}
当方法实现之后，在struct file_operations中指定方法：
struct file_operations my_fops = {
.open = my_open,
.read = my_read,
.write = my_write,
.release = my_release,
};
实例如下：
#include 文件IO调用驱动中的操作
上面字符设备驱动基础中说了，文件IO调用操作方法之前，要先打开设备节点，也就是通过open()打开设备节点，这个过程很复杂，其主要作用就是创建file结构体，根据创建设备节点时写入磁盘中的信息来填充inode，然后通过设备号找到内核中注册的cdev结构体，用cdev中定义的操作方法集合替代file结构体中原来初始化时的操作方法集合。
所以文件IO调用操作方法的前提就是，使用open()打开设备节点。
实例如下：
#include 直接在Makefile中修改，通过make管理测试代码的编译与拷贝到板子：
ROOTFS_DIR = /nfs/rootfs
#挂载根文件系统的目录
APP_NAME = test
CROSS_COMPILE = arm-none-linux-gnueabi-
CC = $(CROSS_COMPILE)gcc
ifeq ($(KERNELRELEASE), ) #默认为空
KERNEL_DIR = /home/gq/linux-3.14.24
#内核路径：/home/gq/linux-3.14.24
CUR_DIR = $(shell pwd)
#通过执行shell命令pwd获取当前路径
all:
make -C $(KERNEL_DIR) M=$(CUR_DIR) modules
#-C代表进入到内核，即进入到内核路径，会读取内核源码顶层目录中Makefile，
#顶层Makefile中会给KERNELRELEASE赋版本号
#M=$(CUR_DIR) 用来指定模块的位置，内核会按照自己的规则来编译指定路径下的文件
#这里内核还不知道要将哪个文件编译为模块，所以会重新执行一次ifeq，这次就跳到else了
#所以这个Makefile会被读取两次：第一次是执行make的时候，第二次是在内核源码中的Makfeile读取
#modules 表示将文件编译为
$(CC) $(APP_NAME).c -o $(APP_NAME)
clean:
make -C $(KERNEL_DIR) M=$(CUR_DIR) clean
install:
cp -raf *.ko $(APP_NAME) $(ROOTFS_DIR)
else
obj-m += dev.o
#指定要编译的文件，并且要编译成modules
#再增加文件的时候，只需要修改这里即可
endif
执行效果如下：
注意！！！这里我只是实现了通过文件IO打开设备节点，测试了相关操作方法的执行，并没有实现与驱动的实际操作。
应用程序与驱动的数据交互
上面实现了在应用程序中通过文件IO调用驱动中的操作，实际开发中，不仅仅是简单的调用，还会涉及到数据的交互。
应用程序在用户空间，驱动在内核空间，应用程序与驱动的数据交互就是用户空间与内核空间的数据交互，我们通过如下两个函数实现数据交互：
#include 下面就使用这两个函数进行应用程序域驱动的一个简单的数据交互，在驱动中完善read和write调用：
#include 测试程序如下：
#include 执行结果如下，实现了从驱动读取数据，自增之后再写入驱动：
这样，我们就实现了用户空间与内核空间的数据交互。
内核驱动如何控制外设
驱动如何控制外设？大多数外设的驱动都是通过读写寄存器的方式操作的，也就是读写寄存器所在的地址，即读写物理地址。
内核驱动可以直接操作物理地址吗？不可以，MMU会把物理地址映射为虚拟地址，程序可以操作的地址都是虚拟地址。
内核如何访问物理地址？通过MMU，把物理地址映射在虚拟地址中，通过访问虚拟地址来操作实际的物理地址。
所以！！！内核驱动外设实际上就是通过将外设的物理地址映射到虚拟地址上，然后在内核的驱动程序中访问虚拟地址，从而操作外设（物理地址）。
物理地址到虚拟地址的映射可以通过ioremap()来实现，我们可以在驱动入口函数中建立地址映射，在卸载模块的时候解除映射关系，用到的函数如下：
#include 控制LED的简单驱动实例
上面说了，驱动控制外设的方法就是建立地址映射，将外设寄存器地址映射在虚拟地址中，供驱动程序操作，这里尝试控制LED。
根据原理图以及芯片手册，可以查到LED的相关寄存器信息：
//led引脚：GPX2_7 高电平点亮，高电平导通三极管
GPX2CON ==0x11000C40
GPX2DAT ==0x11000C44
volatile unsigned int *led0_con = NULL;
volatile char *led0_dat = NULL;
led0_con = ioremap(0x11000c40, 4);
led0_dat = ioremap(0x11000c44, 1);
*led0_con |= (0x1<<28);
*led0_dat |= (1<<7);
*led0_dat &= ~(1<<7);
驱动代码：
ssize_t my_write (struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *fpos)
{
printk("this is %s\n", __FUNCTION__);
int ret = copy_from_user(&kernel_value, buf, 4);
if (ret > 0) {
printk("my_write filed\n");
return ret;
}
printk("my_write is called, wirte to kernel successful:%d\n", kernel_value);
if (kernel_value) *led0_dat |= (1<<7); //亮
else *led0_dat &= ~(1<<7); //灭
return 0;
}
static int __init chr_dev_init(void)
{
int ret;
//申请设备号，实际是注册cdev结构体，实现file_operations操作方法
ret = register_chrdev(major, "guquan_dev", &my_fops);
if (ret < 0) {
printk("regsiter filed\n");
return -1;
} else printk("regsiter successful\n");
//创建设备节点
devcls = class_create(THIS_MODULE, "whocare");
dev = device_create(devcls, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "guquan_dev_name");
//LED寄存器地址映射
led0_con = ioremap(0x11000c40, 4);
led0_dat = ioremap(0x11000c44, 1);
*led0_con |= (0x1<<28);
return 0;
}
static void __exit chr_dev_exit(void)
{
//解除地址映射
iounmap(led0_con);
iounmap(led0_dat);
unregister_chrdev(major, "guquan_dev"); //释放设备号
//销毁设备节点 注意销毁顺序与创建时相反
device_destroy(devcls, MKDEV(major, 0));
class_destroy(devcls);
}
测试代码：
#include 
虽然实现了从应用程序到驱动，再从驱动到外设，但是这样的驱动程序健壮性不好，由以下几点可以看出：
- 驱动中用到了大量的全局变量，不好管理
- 没有很完善地处理出错信息
- 驱动程序的框架没有规范化
下面就针对这些点来改进驱动程序。
驱动程序的改进
框架复盘
首先来复盘一下字符设备驱动框架的流程：
1，实现模块加载和卸载入口函数
module_init(chr_dev_init);
module_exit(chr_dev_exit);
2，在模块加载入口函数中
a， 申请设备号,也就是在内核中注册cdev (内核通过设备号区分设备)
register_chrdev(dev_major, "chr_dev_test", &my_fops);
b，创建设备节点文件 (为用户提供一个可操作到文件接口--open())
struct class *class_create(THIS_MODULE, "chr_cls");
struct device *device_create(devcls, NULL, MKDEV(dev_major, 0), NULL, "chr2");
c, 硬件的初始化
1，寄存器地址的映射
gpx2conf = ioremap(GPX2_CON, GPX2_SIZE);
2，中断到申请
3，实现硬件的寄存器到初始化
// 需要配置gpio功能为输出
*gpx2conf &= ~(0xf<<28);
*gpx2conf |= (0x1<<28);
e，实现file_operations 操作方法
const struct file_operations my_fops = {
.open = chr_drv_open,
.read = chr_drv_read,
.write = chr_drv_write,
.release = chr_drv_close,
};
面向对象思想
在驱动中，经常会用到许多全局变量，这些全局变量是表示设备的相关信息的，比如设备号、外设寄存器、创建设备节点所需的class、device结构体等。我们可以根据面向对象编程的思想，将这些全局变量封装在一个结构体中，抽象为一个设备对象。
将所需要的全局变量封装在结构体中，抽象为对象，如下：
struct led_desc
{
//设备号
unsigned int dev_major;
//创建设备节点所需的结构
struct class *devcls;
struct device *dev;
//映射后的寄存器基址
void *reg_virt_base;
};
struct led_desc *led_dev = NULL; //声明一个全局设备对象
然后在入口函数中实例化对象，也就是向堆申请空间：
//GFP_KERNEL表示如果当前内存不够用，函数会一直阻塞 头文件出错处理
注意！！！是先实例化的对象，然后初始化对象的，如果在初始化的时候出现错误，退出的时候记得释放实例化对象时申请的内存空间，防止内存泄漏！！！这是必须要注意到的，然后就是每执行一步，都有可能出错，那就需要将之前的每一步所申请的数据结构全都释放！！！比如申请的对象的空间、设备号、设备节点、class、device等。
利用程序执行流，逐级执行出错处理操作！！！可以通过goto语句在出错后跳转到处理代码中去执行，注意出错处理的代码放在正常执行的return之后。
在检查错误的时候，内核提供了一些宏定义来协助完成：
- 内核提供了一个宏定义来专门判断指针，即
IS_ERR()； - 提供了指针出错的具体原因的宏定义，即
PTR_ERR()； - 在打印出错信息的时候，支持标签打印，例如
printk(KERN_ERR "class_create filed\n");，程序员可以根据KERN_ERR 标签来过滤调试信息；
所以在模块注册的入口函数中，可以做如下修改：
static int __init chr_dev_init(void)
{
int ret = 0;
//实例化对象
led_dev = kmalloc(sizeof(struct led_desc), GFP_KERNEL); //GFP_KERNEL表示如果当前内存不够用，函数会一直阻塞 头文件读写硬件寄存器的改进
上面读写寄存器的值，还是先通过ioremap映射到内存空间中，然后去操作映射的地址。
可以使用readl和writel函数直接向对应地址中写入或者读取值，其函数原型如下：
unsigned int readl(const volatile void __iomem *addr);//从地址中读取地址空间到值
void writel(unsigned long value , const volatile void __iomem *add);
则对应的，LED初始化的时候的配置可以改为如下：
// gpio的输出功能的配置
u32 value = readl(led_dev->reg_virt_base);
value &= ~(0xf<<28);
value |= (0x1<<28);
writel(value, led_dev->reg_virt_bas);
对从测试程序读取操作LED也可以修改为如下：
ssize_t my_write (struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *fpos)
{
printk("this is %s\n", __FUNCTION__);
int ret = copy_from_user(&kernel_value, buf, 4);
if (ret > 0) {
printk("my_write filed\n");
return ret;
}
printk("my_write is called, wirte to kernel successful:%d\n", kernel_value);
if (kernel_value) { //点亮
writel( readl(led_dev->reg_virt_base + 4) | (1<<7), led_dev->reg_virt_base + 4 );
} else {
writel( readl(led_dev->reg_virt_base + 4) & ~(1<<7), led_dev->reg_virt_base + 4 );
}
return 0;
}
代码展示
dev.c
#include test.c
#include Makefile
ROOTFS_DIR = /nfs/rootfs
#挂载根文件系统的目录
APP_NAME = test
CROSS_COMPILE = arm-none-linux-gnueabi-
CC = $(CROSS_COMPILE)gcc
ifeq ($(KERNELRELEASE), ) #默认为空
KERNEL_DIR = /home/gq/linux-3.14.24
#内核路径：/home/gq/linux-3.14.24
CUR_DIR = $(shell pwd)
#通过执行shell命令pwd获取当前路径
all:
make -C $(KERNEL_DIR) M=$(CUR_DIR) modules #-C代表进入到内核，即进入到内核路径，会读取内核源码顶层目录中Makefile，
#顶层Makefile中会给KERNELRELEASE赋版本号
#M=$(CUR_DIR) 用来指定模块的位置，内核会按照自己的规则来编译指定路径下的文件
#这里内核还不知道要将哪个文件编译为模块，所以会重新执行一次ifeq，这次就跳到else了
#所以这个Makefile会被读取两次：第一次是执行make的时候，第二次是在内核源码中的Makfeile读取
#modules 表示将文件编译为
$(CC) $(APP_NAME).c -o $(APP_NAME)
clean:
make -C $(KERNEL_DIR) M=$(CUR_DIR) clean
install:
cp -raf *.ko $(APP_NAME) $(ROOTFS_DIR)
else
obj-m += dev.o
#指定要编译的文件，并且要编译成modules
#再增加文件的时候，只需要修改这里即可
endif