嵌入式开发（七）：linux字符型设备驱动初步

姓名：王芷若    学号：19020100180

学院：电子工程学院

【嵌牛导读】：本篇文章整理Linux知识点—Linux字符型设备驱动初步。

【嵌牛鼻子】：Linux设备类型，结构体，驱动模块

【嵌牛提问】：Linux设备有什么类型？关键函数有哪些？

【嵌牛内容】–linux字符型设备驱动初步

一、Linux字符设备驱动初步

1、Linux设备类型

（1）字符设备：只能一个字节一个字节的读写的设备，不能随机读取设备内存中的某一数据，读取数据需要按照先后顺序进行。字符设备是面向流的设备，常见的字符设备如鼠标、键盘、串口、控制台、LED等。

（2）块设备：是指可以从设备的任意位置读取一定长度的数据设备。块设备如硬盘、磁盘、U盘和SD卡等存储设备。

（3）网络设备：网络设备比较特殊，不在是对文件进行 *** 作，而是由专门的网络接口来实现。应用程序不能直接访问网络设备驱动程序。在/dev目录下也没有文件来表示网络设备。

2、开发流程

在这里插入图片描述

3、关键函数讲解（以2.6以下版本内核为例）

（1）驱动模块注册register_chrdev（）函数

原型：register_chrdev(unsigned int major, const char *name,const struct file_operations *fops)；

major:主设备号，该值为 0 时，自动运行分配。而实际值不是 0 ；

name:设备名称；

fops: *** 作函数，实现驱动定义的open、read、write、close等内核函数与应用程序调用的open、read、write、close间的映射；

返回值：

major 值为 0 ，正常注册后，返回分配的主设备号。如果分配失败，返回 EBUSY 的负值 ( -EBUSY ) 。major 值若大于 linux/major.h (2.4内核)中声明的最大值 (#define MAX_CHRDEV 255) ，则返回EINVAL 的负值 (-EINVAL) 。指定 major 值后，若有注册的设备，返回 EBUSY 的负值 (-EBUSY)。若正常注册，则返回 0 值

（2）驱动注销unregister_chrdev（）函数

原型：

#include <linux.fs.h>

int unregister_chrdev (unsigned int major, const char *name)

变量：

major 主设备号

name 设备文件

返回值：

major 值若大于 linux/major.h (2.4 内核)中声明的最大值 (#define MAX_CHRDEV 255)，返回 EINVAL的负值 (-EINVAL)。指定了 major的值后，若将要注销的 major 值并不是注册的设备驱动程序，返回 EINVAL的负值 ( -EINVAL )。正常注销则返回 0值。

（3）File_operation结构体

file_operations结构是建立驱动程序和设备编号的连接，内部是一组函数指针，每个打开的文件，也就是file结构，和一组函数关联，这些 *** 作主要用来实现系统调用的

struct file_operations {

struct module *owner//拥有该结构的模块的指针，一般为THIS_MODULES

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int)//用来修改文件当前的读写位置

ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)//从设备中同步读取数据

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)//向设备发送数据

ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t)//初始化一个异步的读取 *** 作

ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t)//初始化一个异步的写入 *** 作

int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t)//仅用于读取目录，对于设备文件，该字段为NULL

unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *)//轮询函数，判断目前是否可以进行非阻塞的读写或写入

int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long)//执行设备I/O控制命令

long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long)//不使用BLK文件系统，将使用此种函数指针代替ioctl

long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long)//在64位系统上，32位的ioctl调用将使用此函数指针代替

int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *)//用于请求将设备内存映射到进程地址空间

int (*open) (struct inode *, struct file *)//打开

int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id)

int (*release) (struct inode *, struct file *)//关闭

int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync)//刷新待处理的数据

int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync)//异步刷新待处理的数据

int (*fasync) (int, struct file *, int)//通知设备FASYNC标志发生变化

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 **)

}

在Linux中，字符设备驱动由如下几个部分组成。

1.字符设备驱动模块加载与卸载函数

在字符设备驱动模块加载函数中应该实现设备号的申请和cdev的注册，而在卸载函数中应实现设备号

的释放和cdev的注销。

Linux内核的编码习惯是为设备定义一个设备相关的结构体，该结构体包含设备所涉及的cdev、私有

数据及锁等信息。2.字符设备驱动的file_operations结构体中的成员函数

file_operations结构体中的成员函数是字符设备驱动与内核虚拟文件系统的接口，是用户空间对Linux

进行系统调用最终的落实者。设备驱动的读函数中，filp是文件结构体指针，buf是用户空间内存的地址，该地址在内核空间不宜直

接读写，count是要读的字节数，f_pos是读的位置相对于文件开头的偏移。

设备驱动的写函数中，filp是文件结构体指针，buf是用户空间内存的地址，该地址在内核空间不宜直

接读写，count是要写的字节数，f_pos是写的位置相对于文件开头的偏移。

由于用户空间不能直接访问内核空间的内存，因此借助了函数copy_from_user（）完成用户空间缓冲

区到内核空间的复制，以及copy_to_user（）完成内核空间到用户空间缓冲区的复制，见代码第6行和第14

行。

完成内核空间和用户空间内存复制的copy_from_user（）和copy_to_user（）的原型分别为：

unsigned long copy_from_user(void *to, const void _ _user *from, unsigned long count)

unsigned long copy_to_user(void _ _user *to, const void *from, unsigned long count)

上述函数均返回不能被复制的字节数，因此，如果完全复制成功，返回值为0。如果复制失败，则返

回负值。如果要复制的内存是简单类型，如char、int、long等，则可以使用简单的put_user（）和

get_user（）读和写函数中的_user是一个宏，表明其后的指针指向用户空间，实际上更多地充当了代码自注释的

功能。内核空间虽然可以访问用户空间的缓冲区，但是在访问之前，一般需要先检查其合法性，通过

access_ok（type，addr，size）进行判断，以确定传入的缓冲区的确属于用户空间。

字符设备驱动程序框架 1、写出open、write函数 2、告诉内核 1）、定义一个struct file_operations结构并填充好 static struct file_operations first_drv_fops = { .owner = THIS_MODULE, /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */ .open = first_drv_open, .write = first_drv_write, }2）、把struct file_operations结构体告诉内核 major = register_chrdev(0, "first_drv", &first_drv_fops)// 注册, 告诉内核相关参数：第一个，设备号，0自动分配主设备号，否则为主设备号0－255 第二个：设备名第二个：struct file_operations结构体 4）、register_chrdev由谁调用（入口函数调用） static int first_drv_init(void) 5）、入口函数须使用内核宏来修饰 module_init(first_drv_init)module_init会定义一个结构体，这个结构体里面有一个函数指针指向first_drv_init这个函数，当我们加载或安装一个驱动时，内核会自动找到这个结构体，然后调用里面的函数指针，这个函数指针指向first_drv_init这个函数，first_drv_init这个函数就是把struct file_operations结构体告诉内核 6）、有入口函数就有出口函数 module_exit(first_drv_exit)最后加上协议 MODULE_LICENSE("GPL")3、mdev根据系统信息自动创建设备节点： 每次写驱动都要手动创建设备文件过于麻烦，使用设备管理文件系统则方便很多。在2.6的内核以前一直使用的是devfs，但是它存在许多缺陷。它创建了大量的设备文件，其实这些设备更本不存在。而且设备与设备文件的映射具有不确定性，比如U盘即可能对应sda，又可能对应sdb。没有足够的主/辅设备号。2.6之后的内核引入了sysfs文件系统，它挂载在/sys上，配合udev使用，可以很好的完成devfs的功能，并弥补了那些缺点。（这里说一下，当今内核已经使用netlink了）。 udev是用户空间的一个应用程序，在嵌入式中用的是mdev，mdev在busybox中。mdev是udev的精简版。首先在busybox中添加支持mdev的选项： Linux System Utilities --->[*] mdev [*] Support /etc/mdev.conf [*] Support subdirs/symlinks [*] Support regular expressions substitutions when renaming device [*] Support command execution at device addition/removal 然后修改/etc/init.d/rcS: echo /sbin/mdev >/proc/sys/kernel/hotplug /sbin/mdev -s 执行mdev -s ：以‘-s’为参数调用位于 /sbin目录写的mdev（其实是个链接，作用是传递参数给/bin目录下的busybox程序并调用它），mdev扫描 /sys/class 和 /sys/block 中所有的类设备目录，如果在目录中含有名为“dev”的文件，且文件中包含的是设备号，则mdev就利用这些信息为这个设备在/dev 下创建设备节点文件。一般只在启动时才执行一次 “mdev -s”。热插拔事件：由于启动时运行了命 令：echo /sbin/mdev >/proc/sys/kernel/hotplug ，那么当有热插拔事件产生时，内核就会调用位于 /sbin目录的mdev。这时mdev通过环境变量中的 ACTION 和 DEVPATH，来确定此次热插拔事件的动作以及影响了/sys中的那个目录。接着会看看这个目录中是否“dev”的属性文件，如果有就利用这些信息为 这个设备在/dev 下创建设备节点文件重新打包文件系统，这样/sys目录，/dev目录就有东西了下面是create_class的原型： #define class_create(owner, name) / ({ / static struct lock_class_key __key/ __class_create(owner, name, &__key)/ }) extern struct class * __must_check __class_create(struct module *owner, const char *name, struct lock_class_key *key)class_destroy的原型如下： extern void class_destroy(struct class *cls)device_create的原型如下： extern struct device *device_create(struct class *cls, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...) __attribute__((format(printf, 5, 6)))device_destroy的原型如下： extern void device_destroy(struct class *cls, dev_t devt)具体使用如下，可参考后面的实例： static struct class *firstdrv_classstatic struct class_device *firstdrv_class_devfirstdrv_class = class_create(THIS_MODULE, "firstdrv")firstdrv_class_dev = class_device_create(firstdrv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "xyz")/* /dev/xyz */ class_device_unregister(firstdrv_class_dev)class_destroy(firstdrv_class)下面再来看一下应用程序如何找到这个结构体的在应用程序中我们使用open打开一个设备：如：open(/dev/xxx, O_RDWR)xxx有一个属性，如字符设备为c,后面为读写权限，还有主设备名、次设备名，我们注册时 通过register_chrdev(0, "first_drv", &first_drv_fops)（有主设备号，设备名，struct file_operations结构体）将first_drv_fops结构体注册到内核数组chrdev中去的，结构体中有open,write函数，那么应用程序如何找到它的，事实上是根据打开的这个文件的属性中的设备类型及主设备号在内核数组chrdev里面找到我们注册的first_drv_fops，实例代码： #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include static struct class *firstdrv_classstatic struct class_device *firstdrv_class_devvolatile unsigned long *gpfcon = NULLvolatile unsigned long *gpfdat = NULLstatic int first_drv_open(struct inode *inode, struct file *file) { //printk("first_drv_open\n")/* 配置GPF4,5,6为输出 */ *gpfcon &= ~((0x3<<(4*2)) | (0x3<<(5*2)) | (0x3<<(6*2)))*gpfcon |= ((0x1<<(4*2)) | (0x1<<(5*2)) | (0x1<<(6*2)))return 0} static ssize_t first_drv_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t * ppos) { int val//printk("first_drv_write\n")copy_from_user(&val, buf, count)// copy_to_user()if (val == 1) { // 点灯 *gpfdat &= ~((1<<4) | (1<<5) | (1<<6))} else { // 灭灯 *gpfdat |= (1<<4) | (1<<5) | (1<<6)} return 0} static struct file_operations first_drv_fops = { .owner = THIS_MODULE, /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */ .open = first_drv_open, .write = first_drv_write, }int majorstatic int first_drv_init(void) { major = register_chrdev(0, "first_drv", &first_drv_fops)// 注册, 告诉内核 firstdrv_class = class_create(THIS_MODULE, "firstdrv")firstdrv_class_dev = class_device_create(firstdrv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "xyz")/* /dev/xyz */ gpfcon = (volatile unsigned long *)ioremap(0x56000050, 16)gpfdat = gpfcon + 1return 0} static void first_drv_exit(void) { unregister_chrdev(major, "first_drv")// 卸载 class_device_unregister(firstdrv_class_dev)class_destroy(firstdrv_class)iounmap(gpfcon)} module_init(first_drv_init)module_exit(first_drv_exit)MODULE_LICENSE("GPL")编译用Makefile文件 KERN_DIR = /work/system/linux-2.6.22.6 all: make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean: make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean rm -rf modules.order obj-m += first_drv.o 测试程序： #include #include #include #include /* firstdrvtest on * firstdrvtest off */ int main(int argc, char **argv) { int fdint val = 1fd = open("/dev/xyz", O_RDWR)if (fd <0) { printf("can't open!\n")} if (argc != 2) { printf("Usage :\n")printf("%s \n", argv[0])return 0} if (strcmp(argv[1], "on") == 0) { val = 1} else { val = 0} write(fd, &val, 4)return 0}

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