嵌入式Linux驱动开发基础知识_韦东山——hello驱动程序开发

一、怎么编写驱动程序？

linux下编写驱动程序有一套完整的模板，具体包含以下内容：

① 确定主设备号，也可以让内核分配
② 定义自己的file_operations结构体
③ 实现对应的drv_open/drv_read/drv_write等函数，填入file_operations结构体
④ 把file_operations结构体告诉内核：register_chrdev
⑤ 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数
⑥ 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，出口函数调用unregister_chrdev
⑦ 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点：class_create, device_create

注解：

• 主设备号类似于ID一样，主设备号可以自己分配也可以由内核分配(给0就表示由内核分配)
• file_operations为linux驱动的文件句柄，这个结构体包含了一些常用的参数: 读写模式、open函数、read函数、write函数等等，开发者需要重定义这些函数。
• 实现drv_open/drv_read/drv_write函数，实现驱动的打开，读写功能。
• register_chrdev函数将file_operations告诉内核，这个函数是联系内核和驱动的关键函数
• 驱动程序写好了，谁来调用呢？这个需要一个入口函数，入口函数的作用是当安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数。入口函数需要调用register_chrdev函数
• 出口函数：卸载驱动程序时，也同样会进入一个函数，那么这个函数就叫出口函数，出口函数调用unregister_chrdev
• 除了以上信息，还需要提供设备信息，自动创建设备节点等等相关的代码。

二、驱动程序、应用程序、Makefile文件

1. 驱动程序

hello_drv.c

/*所需要的头文件参考drivers下的misc.c文件*/
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

/*open、read、write、close函数声明*/
static int 		hello_drv_open	   	(struct inode *, 	struct file *);
static ssize_t 	hello_drv_read 	(struct file *, 	char __user *, 			size_t, loff_t *);
static ssize_t 	hello_drv_write (struct file *, 	const char __user *, 	size_t, loff_t *);
static int 		hello_drv_close (struct inode *, 	struct file *);


/* 1.确定主设备号，也可以让内核分配 */
static int 			major = 0;					// 主设备号：给0时表示让内核进行设置
static char 		kernel_buf[1024] = {0};		// 内核buf，用于存储应用层传递给驱动的数据
static struct class *hello_class;				// 驱动类


#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)		

/* 2. 定义自己的file_operations结构体 */
static const struct file_operations hello_drv = {
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.open    = hello_drv_open,
	.read    = hello_drv_read,
	.write   = hello_drv_write,
	.release = hello_drv_close,
};

/* 3. 实现对应的drv_open/drv_read/drv_write等函数，填入file_operations结构体 */
int 	hello_drv_open	   	(struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

	return 0;
}

ssize_t hello_drv_read 	(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err = 0;
	
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

	// 应用层需要读取内核数据需要通过copy_to_user
	err = copy_to_user(buf, kernel_buf, MIN(1024, size));

	return MIN(1024, size);
}

ssize_t hello_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err = 0;

	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

	// 应用层需要写入内核数据需要通过copy_from_user
	err = copy_from_user(kernel_buf, buf, MIN(1024, size));

	return MIN(1024, size);
}

int 	hello_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

	return 0;
}

/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册程序 */
/* 5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数 */
static int __init hello_init(void)
{
	int err = 0;

	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	
	// 将hello驱动注册进内核中, hello为驱动在内核中的名称
	major = register_chrdev(major, "hello", &hello_drv);			  /* /dev/hello */

	/*创建类和设备：先创建类，后创建设备*/
	hello_class = class_create(THIS_MODULE, "hello");
	err = PTR_ERR(hello_class);
	if (IS_ERR(hello_class))
	{
		// 如果创建类不成功，则需要卸载驱动
		unregister_chrdev(major, "hello");
		return -1;
	}

	// 创建设备
	device_create(hello_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "hello"); /* /dev/hello */

	return 0;
}

/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，出口函数调用unregister_chrdev */
static void __exit hello_exit(void)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

	/*销毁类和设备：先销毁设备，后销毁类*/
	device_destroy(hello_class, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(hello_class);

	// 将hello驱动卸载出内核中
	unregister_chrdev(major, "hello");
}

/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点：class_create, device_create */
// 将hello_init和hello_exit修饰为入口函数和出口函数
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
// 驱动程序需要遵循GPL开源协议，否则无法运行
MODULE_LICENSE("GPL");

2. 应用程序

hello_drv_test.c

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

/*
 * ./hello_drv_test -w abc
 * ./hello_drv_test -r
 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	char buf[1024];
	int len;
	
	/* 1. 判断参数 */
	if (argc < 2) 
	{
		/*参数不对时，提示用户怎么使用*/
		printf("Usage: %s -w \n", argv[0]);
		printf("       %s -r\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	/* 2. 打开文件 */
	fd = open("/dev/hello", O_RDWR);
	if (fd == -1)
	{
		/*打开文件失败*/
		printf("can not open file /dev/hello\n");
		return -1;
	}

	/* 3. 写文件或读文件 */
	if ((0 == strcmp(argv[1], "-w")) && (argc == 3))
	{
		len = strlen(argv[2]) + 1;
		len = len < 1024 ? len : 1024;
		write(fd, argv[2], len);
	}
	else
	{
		len = read(fd, buf, 1024);		
		buf[1023] = '\0';
		printf("APP read : %s\n", buf);
	}
	
	close(fd);
	
	return 0;
}

3. Makefile文件

# 1. 使用不同的开发板内核时, 一定要修改KERN_DIR
# 2. KERN_DIR中的内核要事先配置、编译, 为了能编译内核, 要先设置下列环境变量:
# 2.1 ARCH,          比如: export ARCH=arm64
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# 2.3 PATH,          比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_roc-rk3399-pc/ToolChain-6.3.1/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin 
# 注意: 不同的开发板不同的编译器上述3个环境变量不一定相同,
#       请参考各开发板的高级用户使用手册

# KERN_DIR = /home/book/100ask_roc-rk3399-pc/linux-4.4
KERN_DIR = /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Linux-4.9.88

all:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 
	$(CROSS_COMPILE)gcc -o hello_drv_test hello_drv_test.c 

clean:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
	rm -rf modules.order
	rm -f hello_drv_test

obj-m	+= hello_drv.o

三、编译及运行

1. 虚拟机(IP: 192.168.5.11)
	1.1 编译驱动 进入相应的驱动文件夹，然后运行make就可以了 驱动和应用文件会产生相应的ko文件和可执行文件( hello_drv.ko  hello_drv_test)
	1.2 将驱动产生的文件复制到网络挂载文件夹上: cp hello_drv.ko  hello_drv_test /home/book/nfs_rootfs/
2. 开发板(IP：192.168.5.9)
	2.1 首先使用ifconfig查看ip地址是否为192.168.5.9，如果不是则需要使用 ifconfig eth0 192.168.5.9
	2.2 将开发板挂载到虚拟机的文件夹，运行以下命令 mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.5.11:/home/book/nfs_rootfs /mnt
	2.3 查看/mnt目录下是否有hello_drv.ko  hello_drv_test文件 cd /mnt/
		ls -l
	2.4 安装驱动,运行如下命令： insmod hello_drv.ko
	2.5 查看是否安装驱动成功,运行如下命令： 列出字符和块设备的主设备号，以及分配到这些设备号的设备名称： cat /proc/devices  会出现类似：240 hello 的信息， 240表示主设备号， hello为驱动的名字
	 	显示已载入系统的模块：lsmod   
	 	会出现： hello_drv       3744   0   
	 	hello_drv:驱动文件名称 3744：文件大小 0：正在使用数量
	 	查看是否为设备名：(/dev/驱动名字)
	 	ls /dev/hello -l 显示： crw------- 1 root root 240, 0 Jan  1 00:14 /dev/hello 权限                 主设备号     时间      设备名称
	2.6 测试驱动(这一块要根据应用程序的用法进行使用) 运行： ./hello_drv_test -w "I am success!"
		运行： ./hello_drv_test -r
		显示：APP read : I am success!
	2.7 卸载驱动 rmmod hello_drv
		运行后可以使用lsmod 查看是否还存在hello_drv驱动了
	2.8 显示调试信息 在运行过程中默认是不显示调试信息的，需要使用命令： dmesg单独查看