正点原子嵌入式linux驱动开发——字符设备驱动开发

经过之前这么多篇笔记的学习，Ubuntu操作系统以及完整的Linux系统移植，已经初步掌握了开发板系统搭建的过程，在STM32MP157上搭建了自己的简单开发系统，从这一篇笔记开始就可以证实Linux驱动开发的学习了！之后的正点原子教程将会详细讲解Linux中的三大类驱动：字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动。其中字符设备驱动是占用篇幅最大的一类驱动，因为字符设备最多，从最简单的点灯到I2C、SPI、音频等都属于字符设备驱动的类型。块设备和网络设备驱动要比字符设备驱动复杂，就是因为其复杂所以半导体厂商一般都编写好了，大多数情况下都是直接可以使用的。所谓的块设备驱动就是存储器设备的驱动，比如EMMC、NAND、SD卡和U盘等存储设备，因为这些存储设备的特点是以存储块为基础，因此叫做块设备。网络设备驱动就更好理解了，就是网络驱动，不管是有线的还是无线的，都属于网络设备驱动的范畴。一个设备可以属于多种设备驱动类型，比如USB WIFI，其使用USB接口，所以属于字符设备，但是其又能上网，所以也属于网络设备驱动。

正点原子的教程中，采用的Linux内核版本为5.4.31，其支持设备树(Device Tree)，所以正点原子的所有例程都会采用设备树，将会讲解设备树的基本原理和设备树驱动的开发，从点灯到网络驱动开发都会详细讲解。

从本篇笔记开始会从Linux驱动开发中最基础的字符设备驱动开始，重点学习Linux下字符设备驱动开发框架。本章会以一个虚拟的设备为例，讲解如何进行字符设备驱动开发，以及如何编写测试APP来测试驱动工作是否正常，为以后的学习打下坚实的基础。

字符设备驱动简介

字符设备是Linux驱动中最基本的一类设备驱动，字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如最常见的点灯、按键、IIC、SPI、LCD等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。

先简单看一下Linux下应用程序是如何调用驱动程序的，调用如下图所示：

在Linux中一切皆为文件，驱动加载成功以后会在“/dev”目录下生成一个相应的文件，应用程序通过对这个名为“/dev/xxx”(xxx是具体的驱动文件名字)的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。

应用程序运行在用户空间，而Linux驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。当在用户空间想要实现对内核的操作，比如使用open函数打开/dev/led这个驱动，因为用户空间不能直接对内核进行操作，因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间“陷入”到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。open、close、write和read等这些函数是由C库提供的，在Linux系统中，系统调用作为C库的一部分。例如调用open函数，流程如下：

其中关于C库以及如何通过系统调用“陷入”到内核空间这个不用去管，重点关注的是应用程序和具体的驱动，应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数，比如应用程序中调用了open这个函数，那么在驱动程序中也得有一个名为open的函数。每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数，在Linux内核文件include/linux/fs.h中有个叫做file_operations的结构体，此结构体就是Linux内核驱动操作函数集合。

教程有对源码函数的讲解，代码我就不复制了，怪麻烦的，讲解在这里我记一下，加深印象：

第1823行， owner拥有该结构体的模块的指针，一般设置为THIS_MODULE。

第1824行，llseek函数用于修改文件当前的读写位置。

第1825行，read函数用于读取设备文件。

第1826行，write函数用于向设备文件写入(发送)数据。

第1832行， poll是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。

第1833行，unlocked_ioctl函数提供对于设备的控制功能，与应用程序中的ioctl函数对应。

第1834行，compat_ioctl函数与unlocked_ioctl函数功能一样，区别在于在64位系统上，32位的应用程序调用将会使用此函数。在32位的系统上运行32位的应用程序调用的是unlocked_ioctl。

第1835行， mmap函数用于将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间)，一般帧缓冲设备会使用此函数，比如LCD驱动的显存，将帧缓冲 (LCD显存)映射到用户空间中以后应用程序就可以直接操作显存了，这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。

第1837行，open函数用于打开设备文件。

第1839行，release函数用于释放(关闭)设备文件，与应用程序中的close函数对应。

第1841行，fasync函数用于刷新待处理的数据，用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。

在字符设备驱动开发中最主要的工作就是实现上面这些函数，不一定全部都要实现，但是像open、release、write、read等都是需要实现的。

字符设备驱动开发步骤

在学习裸机或者STM32的时候关于驱动的开发就是初始化相应的外设寄存器，在Linux驱动开发中肯定也是要初始化相应的外设寄存器。只是在Linux驱动开发中需要按照其规定的框架来编写驱动。

驱动模块的加载和卸载

Linux驱动有两种运行方式，第一种就是将驱动编译进Linux内核中，这样当Linux内核启动的时候就会自动运行驱动程序。第二种就是将驱动编译成模块(Linux下模块扩展名为.ko)，在Linux内核启动以后使用“modprobe”或者“insmod”命令加载驱动模块，正点原子教程中统一使用“modprobe”命令。在调试驱动的时候一般都选择将其编译为模块，这样修改驱动以后只需要编译一下驱动代码即可，不需要编译整个Linux代码。而且在调试的时候只需要加载或者卸载驱动模块即可，不需要重启整个系统。

模块有加载和卸载两种操作，加载和卸载注册函数如下：

module_init(xxx_init); //注册模块加载函数 module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数

module_init函数用来向Linux内核注册一个模块加载函数，参数xxx_init就是需要注册的具体函数，当使用“modprobe”命令加载驱动的时候xxx_init这个函数就会被调用。module_exit函数用来向Linux内核注册一个模块卸载函数，参数xxx_exit就是需要注册的具体函数，当使用“rmmod”命令卸载具体驱动的时候xxx_exit函数就会被调用。

驱动编译完成以后扩展名为.ko，有两种命令可以加载驱动模块：“insmod”和“modprobe”。 insmod是最简单的模块加载命令，此命令用于加载指定的.ko模块，比如加载drv.ko这个驱动模块，命令如下：

insmod drv.ko

insmod命令不能解决模块的依赖关系，比如drv.ko依赖first.ko这个模块，就必须先使用insmod命令加载first.ko这个模块，然后再加载drv.ko这个模块。但是modprobe就不会存在这个问题，modprobe会分析模块的依赖关系，然后会将所有的依赖模块都加载到内核中。modprobe命令默认会去/lib/modules/目录中查找模块，但是这个目录需要自己手动创建。

驱动模块的卸载使用命令“rmmod”即可，比如要卸载drv.ko，使用如下命令即可：

rmmod drv.ko

也可以使用“modprobe -r”命令卸载驱动，比如要卸载 drv.ko，命令如下：

modprobe -r drv

但是这个命令需要驱动模块违背其余模块依赖，不然无法使用此命令来卸载。

字符设备注册与注销

对于字符设备驱动而言，当驱动模块加载成功以后需要注册字符设备，同样，卸载驱动模块的时候也需要注销掉字符设备。字符设备的注册和注销函数原型如下所示：

static inline int register_chrdev(unsigned int major, 
								  const char *name, 
								  const struct file_operations *fops) 

static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, 
									 const char *name)

register_chrdev函数用于注册字符设备，此函数一共有三个参数，这三个参数的含义如下：

• major：主设备号，Linux下每个设备都有一个设备号，设备号分为主设备号和次设备号两部分。
• name：设备名字，指向一串字符串。
• fops：结构体file_operations类型指针，指向设备的操作函数集合变量。

unregister_chrdev函数用户注销字符设备，此函数有两个参数，这两个参数含义如下：

• major：要注销的设备对应的主设备号。
• name：要注销的设备对应的设备名。

一般字符设备的注册在驱动模块的入口函数xxx_init中进行，字符设备的注销在驱动模块
的出口函数xxx_exit中进行。

注册时要注意使用没被使用过的主设备号，可以通过命令“cat /proc/devices”查看已被使用设备号。

实现设备的具体操作函数

file_operations结构体就是设备的具体操作函数，要实现驱动，就要自己定义好test_fops结构体指针，就通过这个指针来完成初始化。

基础的需求就是需要实现open、release、read、write这四个函数进行实现。

需要自己写这四个函数，然后在file_operations结构体中把指针只想自己写好的四个函数。

添加LICENSE和作者信息

LICENSE是必须添加的，作者信息则是自选，两者的添加命令如下：

MODULE_LICENSE() //添加模块LICENSE信息 MODULE_AUTHOR() //添加模块作者信息

这个只需要在代码的最后添加就可以了。

通过以上几个步骤，就初步搭建好字符设备驱动模板了。

Linux设备号

设备号组成

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。

设备号的分配

静态分配

手动自行添加，可以通过“cat /proc/devices”命令查看已使用设备号。

动态分配

系统自动分配，只要卸载驱动的时候释放掉就可以了，申请函数如下：

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)

共有如下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。
• count：要申请的设备号数量。
• name：设备名字。

设备号释放函数如下：

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

共有2个参数：

• from：要释放的设备号。
• count 表示从from开始，要释放的设备号数量。

chrdevbase字符设备驱动开发实验

这个设备是一个虚拟设备。chrdevbase设备有两个缓冲区，一个读缓冲区，一个写缓冲区，这两个缓冲区的大小都为100字节。在应用程序中可以向chrdevbase设备的写缓冲区中写入数据，从读缓冲区中读取数据。

实验程序编写

创建一个目录来存放驱动程序，然后在这个目录中新建工程并创建文件，之后添加头文件路径。

之后要搞定配置文件，默认生成.vscode目录，并生成c_cpp_properties.json文件，在“includePath”中添加头文件路径。

完成后编写实验程序完成功能即可。

这里要学习一个函数，适用于在Linux内核中打印的printk函数。一共有8个消息级别，0最高7最低。默认情况下，只有优先级高于7能显示在控制台上。而printk的默认消息级别为4，所以printk可以直接显示在控制台上。

编写测试APP

C库文件基本函数

编写测试APP就是写一个Linux应用，需要用到C库的一些函数，最基础的就是open、read、write和close四个函数。

以上函数都可以通过在Ubuntu中输入命令“man 2 xxx”来查看详细信息。

1、open函数

open原型如下：

int open(const char *pathname, int flags)

参数含义如下：

• pathname：要打开的设备或者文件名。
• flags：文件打开模式。有许多可选模式，这里不赘述，但是有三种必选其一：
  • O_RDONLY：只读。
  • O_WRONLY：只写。
  • O_RDWR：读写。
• 返回值：文件打开成功返回文件的文件描述符。

2、read函数

read函数原型如下：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)

函数参数含义如下：

• fd：要读取的文件描述符，open打开后会得到此参数。
• buf：数据读取的缓冲。
• count：读取数据长度，即字节数。
• 返回值：读取成功则返回读取到的字节数；0则表示读取到文件末尾；负值则是读取失败。

3、write函数

函数原型如下：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count)

函数参数含义如下：

• fd：要读写的文件描述符。
• buf：要写入的数据。
• count：要写入的数据长度，即字节数。
• 返回值：写入成功就返回字节数；返回0代表没有写入任何数据；负值表示写入失败。

4、close函数

函数原型如下：

int close(int fd)

函数参数含义如下：

• fd：要关闭的文件描述符。
• 返回值：0表示关闭成功；负值表示关闭失败。

编写测试APP程序

在本次的驱动目录中，新建一个chrdevbaseAPP.c。

这个函数，需要预先定义一个char* filename以及两个char类型的buf[100]数组接收缓存数据。main函数则是经典的int argc以及char* argv[]两个参数，argc表示参数数量，argv[]保存具体参数。重点就是先通过argc判断是否是3个输入参数，不是就说明错了。这是因为实际的读取就是如下命令：

./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 1

最后一个参数1表示读取，2表示写入，这第三个参数就通过atoi(argv[2])来判断。

编译驱动程序和测试APP

编译驱动程序，将其边翼卫.ko模块，需要写一个Makefile文件：

• KERNELDIR：选择Linux内核源码路径。
• CURRENT_PATH：当前路径，直接 :=(shell pwd)来获取。
• obj-m：编译为.ko文件。
• kernel_modules:
  $(MAKE) -C $(KERNELDIR)M=$(CURRENT_PATH) modules：modules表示编译模块，-C表示切换目录，M是模块源码目录。

完成后直接“make”就可以编译了。

编译测试APP

直接通过如下命令编译即可：

arm-none-linux-gnueabihf-gcc chrdevbaseApp.c -o chrdevbaseApp

## 运行测试 ### 加载驱动 可通过TFTP从网络启动Linux，NFS挂载网络根文件系统，确保uboot的bootcmd环境变量如下：

tftp c2000000 uImage;tftp c4000000 stm32mp157d-atk.dtb;bootm c2000000 - c4000000

bootargs环境变量为：

console=ttySTM0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.249:/home/zuozhongkai/linux/nfs/rootfs,proto=tcp rw ip=192.168.1.250:192.168.1.249:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off

启动后检查“/lib/modules/5.4.31”目录，没有需要自行创建，然后把写好的程序复制过去：

sudo cp chrdevbase.ko chrdevbaseApp /home/zuozhongkai/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/ -f

通过“modprobe chrdevbase”或者“insmod chrdevbase.ko”来加载驱动。(modprobe需要先输入depmod，如果没有此命令需要配置bufybox使能该命令；modprobe加载时不要加.ko后缀，可能报错)。加载成功后可进入/proc/devices目录来查询。

创建设备节点文件

需要在/dev创建对应的设备节点文件：

mknod /dev/chrdevbase c 200 0

“mknod”就是创建节点，“c”表示字符设备。创建完成后可通过“ls /dev/chrdevbase -l”查看设备。APP直接读取该设备就可以了，也就是这个文件就是用户空间中设备的实现。

chrdevbase设备操作测试

可通过如下命令测试读写操作：

./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 1 ./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 2

### 卸载驱动模块 可通过如下命令卸载：

rmmod chrdevbase

总结

通过本篇笔记，初步学习字符串设备的基础操作。

这里记录一下字符设备驱动的一份模板格式：

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

/* 打开设备 */
static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	/* 用户具体实现功能 */
	return 0;
}

/* 从设备读取数据 */
static ssize_t chrtest_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	/* 用户实现具体功能 */
	return 0;
}

/*  向设备写数据 */
static ssize_t chrtest_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	/* 用户实现具体功能 */
	return 0;
}

/* 关闭/释放设备 */
static int chrtest_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	/* 用户实现具体功能 */
	return 0;
}

/*
 * 设备操作函数结构体
 */
static struct file_operations test_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,	
	.open = chrtest_open,
	.read = chrtest_read,
	.write = chrtest_write,
	.release = chrtest_release,
};

/* 驱动入口函数  */
static int __init xxx_init(void)
{
	/* 入口函数具体内容 */
	int retvalue = 0;

	/* 注册字符设备驱动 */
	retvalue = register_chrdev(200, “chrtest”, &test_fops);
	if(retvalue < 0){
		/* 字符设备注册失败，自行处理 */
	}
	return 0;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit xxx_exit(void)
{
	/* 注销字符设备驱动 */
	unregister_chrdev(200, "chrtest");
}

/* 
 * 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 
 */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);

/* 
 * LICENSE和作者信息
 */
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("ALIENTEK");

然后就是如果使用VSCode，需要进行配置，ctrl+shift+P打开后找到“C/C++:Edit configurations(JSON)”，在默认生成的.vscode中的c_cpp_properties.json中添加包含的头文件路径即可。

然后就是现在打印的话都是用printk就可以了。

之后编写一个测试APP再写一个Makefile来编译就可以了。