简单的字符驱动demo实验
简单的字符驱动demo实验
1、实验目的：掌握简单字符设备驱动设计规范模式，设备节点创建方法，应用程序的设计和编写方法。
2、实验要求：
（A.）在S3C2440（以tq2440和mini2440为平台验证的）平台上编写实现了读，写，定位的字符设备驱动程序
（B.）编写应用程序，对所写的驱动程序进行测试
3、实验步骤：
（A.）创建实验目录,用mkdir命令来创建
#mkdir /opt/FrinedlyARM/studydriver/5-1-1
#cd /opt/FrinedlyARM/stduydriver/5-1-1
4、在实验目录写编写实现了读，写，定位的字符设备驱动程序memdev.c （温馨提示：本实验并没有真正的去操控硬件设备，而是使用内存来模拟字符设备）
5、编写Makefile
ifeq ($(KERNELRELEASE),)
KERNELDIR ?=/opt/FriendlyARM/linux-2.6.32.2（按照你的linux-2.6.32.2内核实际的目录来改正）
PWD := $(shell pwd)
modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
modules_install:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_install
clean:
rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.markers *.mod.c *.mod.o *.symvers .tmp_versions
.PHONY: modules modules_install clean
else
obj-m := memdev.o
endif
编译内核模块并拷贝内核模块到根文件系统（说明：memdev.ko为编译生成的内核模块）
实验源码mem_dev.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include "memdev.h"
static mem_major = MEMDEV_MAJOR;
module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
struct cdev cdev;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct mem_dev *dev;
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);
if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
return -ENODEV;
dev = &mem_devp[num];
/*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = dev;
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*判断读位置是否有效*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
/*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))
{
ret = - EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}
return ret;
}
/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
ret = - EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}
return ret;
}
/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
loff_t newpos;
switch(whence) {
case 0: /* SEEK_SET */
newpos = offset;
break;
case 1: /* SEEK_CUR */
newpos = filp->f_pos + offset;
break;
case 2: /* SEEK_END */
newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;
break;
default: /* can't happen */
return -EINVAL;
}
if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))
return -EINVAL;
filp->f_pos = newpos;
return newpos;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
int result;
int i;
dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);
/* 静态申请设备号*/
if (mem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
else /* 动态分配设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
mem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0)
return result;
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev.ops = &mem_fops;
/* 注册字符设备 */
cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
/* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
if (!mem_devp) /*申请失败*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
/*为设备分配内存*/
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
}
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, 1);
return result;
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_AUTHOR("KPBoy huang");
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
代码相关理论知识说明：
《1》确定主设备号和次设备号
（1）主设备号：是内核识别一个设备属于哪一个驱动的标识。是一个整数，范围为0-（4096-1），但是一般使用1~255。
次设备号：是驱动程序自己用来区别多个设备的。是一个整数，范围为0~（1048576-1）,但是一般使用1~255。
预定义的设备号可以参考内核源码Documentation/devices.txt
（2）设备编号的内部表示。
内核用32bit表示设备号：
typedef unsigned long dev_t; ‚其中高12bit为主设备号，低20bit为次设备号。 要想获得一个dev_t类型的变量中包含的主或者次设备号，使用内核定义的宏：MAJOR（dev_t dev) ；和MINOR（dev_t dev）；
ƒ分配主设备号、次设备号的方法和内核API
int register_chrdev_region（dev_t first,unsigned int count ,char * name）;
静态申请设备号：请求操作系统分配驱动程序要求的特定设备号。first 为要求分配的第一个设备号（包含主、次设备号），count为请求的设备号数量，name为驱动名称（出现在/proc/devices中），失败返回负数，成功则向操作系统将first到first+conut-1，总共count个设备号分配给驱动。例如：
如果int result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev")成功，则分配到第一个设备号为devno，2为请求的设备号数量，memdev为驱动的名称，失败就返回负数。
动态申请设备号： result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");devno用于存放结果,其最终存放的是分配到的2个设备号中的第一个设备号，firstminor即0为期望分配到的第一个次设备号，name即为memdev为驱动的名称（出现在/proc/devices中），失败将返回负数，成功则操作系统将分配的第一个设备号存放到dev中，并将分配出去的设备号是从devno到devno + count - 1，共count个（在本例也就是2个），申请的时机应该在驱动程序的初始化函数中（本例的memdev_init(void)函数中）。
m释放主设备号、次设备号的方法和内核API
释放的时机应该在驱动程序的销毁函数中。
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
《2》确定设备文件名程并创建设备文件作为用户程序和驱动的接口界面
设备文件名称是一个合法的文件名称即可。一般是“设备名称”，或者是“设备名称 + 数字” （本例中是mem_dev）
设备类型主要有c（字符设备类型），b（块设备类型）
创建设备文件 mknod /dev/memdev0 c 251 0(使用命令mknod 来创建设备文件)
《3》将字符设备注册进操作系统
字符设备的注册时机是在驱动程序的初始化函数中，注销的时机是在驱动程序的销毁函数中：
/* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
（相当于应用程序中的malloc）
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
字符设备是如何在操作系统中被注册和注销的？（参看LDD3 3.1和3.6节）
详细解析参阅《深入浅出嵌入式底层软件开发》P428-429的8.2.2实现字符设备驱动的工作
Mem_dev.h实验源码
#ifndef _MEMDEV_H_
#define _MEMDEV_H_
#ifndef MEMDEV_MAJOR
#define MEMDEV_MAJOR 251 /*预设的mem的主设备号*/
#endif
#ifndef MEMDEV_NR_DEVS
#define MEMDEV_NR_DEVS 2 /*设备数*/
#endif
#ifndef MEMDEV_SIZE
#define MEMDEV_SIZE 4096
#endif
/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev
{
char *data;
unsigned long size;
};
#endif /* _MEMDEV_H_ */
6、通过NFS方式起根文件系统
7、加载内核模块
#insmod memdev.ko
#lsmod
说明：在加载内核模块时，模块初始化函数memdev_init被调用，函数完成了设备号申请，字符设备注册等操作。
8、查看设备名字和设备号
#cat /proc/devices
9、手工创建设备节点
#mknod /dev/memdev0 c 251 0（用命令mknod创建设备文件）
（A）、/dev/memdev0 ==》 设备文件名字为“memdev0”，当然这里的名字是可以修改的
（B）、c ==》 设备类型，c：为字符设备，b，块设备
（C）、251 ==》 主设备号
（D）、0 ==》 次设备号
（E）[root@FriendlyARM 2.6.32.2-FriendlyARM]# ls -l /dev/memdev0
crw-r--r-- 1 root root 251, 0 Feb 8 15:23 /dev/memdev0
11、编写应用程序
用于测试驱动的应用程序app-mem.c
#include <stdio.h>
int main()
{
FILE *fp0 = NULL;
char Buf[4096];
/*初始化Buf*/
strcpy(Buf,"Mem is char dev!");
printf("BUF: %s\n",Buf);
/*打开设备文件*/
fp0 = fopen("/dev/memdev0","r+");
if (fp0 == NULL)
{
printf("Open Memdev0 Error!\n");
return -1;
}
/*写入设备*/
fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);
/*重新定位文件位置（思考没有该指令，会有何后果)*/
fseek(fp0,0,SEEK_SET);
/*清除Buf*/
strcpy(Buf,"Buf is NULL!");
printf("BUF: %s\n",Buf);
/*读出设备*/
fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);
/*检测结果*/
printf("BUF: %s\n",Buf);
return 0;
}
实验解析：
当应用程序调用open打开一个设备时，操作系统做了什么？
由于操作系统内部已经建立了“设备号—cdev— mem_fops” 三者之间的关联关系，所以当用户程序调用 fp0 = fopen("/dev/memdev0","r+")打开设备文件的时候。操作系统就可以根据设备文件名得到设备号，再根据设备号找到cedv，进而找到fops，从而为该设备在内核空间中建立3张表：文件描述符（file descriptor table）,文件表（file table）,i节点表（i-node table）,关于3张表的关系和作用，请参看LDD3的3.3节
i节点表中含有：
①、i_rdev:字段代表实际的设备号（open调用中设备文件对应的设备号）
②、i_cdev:字段指向字符设备cdev.
文件表中含有：
f_op :字段指向fops.
f_ops:字段表示设备当前读写位置。
f_flags:字段标识文件打开是可读或可写？
private_data:字段指向私有数据指针，驱动程序可以将这个成员用于任何目的或者忽视这个成员。