分类： LINUX
2016-01-11 15:07:52
原文地址：Linux字符设备驱动入门（一） 作者：zhuwenyu2
先亮一下装备：
平台：VMware 7.0 + Linux ubuntu 3.0.0-12-generic
编译器：gcc
参考资料：LDD 3
功能：实现简单的字符操作（从用户空间向内核空间写入一串字符；从内核空间读一个字符到内核空间）
众所周知，字符设备是linux下最基本，也是最常用到的设备，它是学习Linux驱动入门最好的选择，计算机的东西很多都是相通的，掌握了其中一块，其他就可以触类旁通了。在写驱动前，必须先搞清楚字符设备的框架大概是怎样的，弄清楚了流程，才开始动手，不要一开始就动手写代码！
这里所说的框架是参考LLD3上介绍的，内核是基于Linux 2.6，3.0以上的有些地方会不一样（主要是file_operations中的ioctl修改了），但基本上适用，因为我就是在3.0的内核上实现的！字符设备驱动的初始化流程大概如下所示：
定义相关的设备文件结构体（如file_operation()中的相关成员函数的定义）->向内核申请主设备号（建议采用动态方式） ->申请成功后，调用MAJOR()获取主设备号 ->初始化cdev的结构体，调用cdev_init() ->调用cdev_add()，注册cdev到kernel ->注册设备模块：module_init()、module_exit()。
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编写代码
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首先定义两个全局变量（主设备号和字符设备hellow）：
static int hello_major = 0; /* major device number */
static struct cdev hellow; /* hello device structure */
然后来看看file_operations()，它的定义可以在../include/linux/fs.h下找到，这里只用到了其中的几个成员函数：
/* file operations for hello device */
static struct file_operations hello_ops = {
.owner = THIS_MODULE, /*owner为所有者字段，防止在使用时模块被卸载。一边都设为THIS_MODULE*/
.open = hello_open,
.read = hello_read,
.write = hello_write,
.release = hello_release,
不同于windows驱动程序，Linux设备驱动程序在与硬件设备之间建立了标准的抽象接口。通过这个接口，用户可以像处理普通文件一样，通过open，close，read，write等系统调用对设备进行操作，如此一来也大大简化了linux驱动程序的开发。通过file_operations这个结构体（实际上是一个函数指针的集合），把驱动的操作和设备号联系起来，程序员所要做的工作只是通过file_operations挂接自己的系统调用函数。
接下来就是实现open,close,read,write操作了，这个驱动什么都没干，所以很好理解，用户请求read系统调用时，这个虚拟设备反回相应长度的“A”字符串，用户write时，将内容显示到日志中。这里要注意的是，内核空间中不能使用用户态的malloc，而是使用kmalloc/kfree。而且，用户read/write提供的buf地址也是用户态的，内核自然不能直接访问，需要通过copy_to_user/copy_from_user 进行数据拷贝，具体如下：
/* Open the device */
static int hello_open( struct inode *inode, struct file *filp ){
printk( KERN_NOTICE"Hello device open!\n" );
return 0;
}
/* Close hello_device */
static int hello_release( struct inode *inode, struct file *filp ){
printk( KERN_NOTICE"Hello device close!\n" );
return 0;
}
/* user read from hello device*/
ssize_t hello_read( struct file *flip, char __user *buf, size_t count,loff_t
*f_pos){
ssize_t retval = 0;
char *bank;
bank = kmalloc(count+1, GFP_KERNEL );
if( bank == NULL )
return -1;
memset( bank, 'A',count );
if( copy_to_user( buf, bank, count ) ){
retval = -EFAULT;
goto out;
}
retval += count;
*(bank+count)=0;
printk( KERN_NOTICE"hello: user read %d bytes from me. %s\n",count,bank );
out:
kfree(bank);
return retval;
}
/* write to hello device */
ssize_t hello_write( struct file *filp, const char __user *buf, size_t count,
loff_t *f_pos ){
ssize_t retval = 0;
char *bank = kmalloc( count ,GFP_KERNEL );
if( bank == NULL )
return retval;
if( copy_from_user(bank, buf, count ) ){
retval = -EFAULT;
printk( KERN_NOTICE"hello: write error\n" );
goto out;
}
retval += count;
printk( KERN_NOTICE"hello: user has written %d bytes to me: %s\n",count,
bank );
out:
kfree(bank );
return retval;
}
你可能会注意到open和release函数头中的file和inode结构体，inode是内核内部文件的表示，当其指向一个字符设备时，其中的i_cdev成员既包含了指向cdev结构的指针。而file表示打开的文件描述符，对一个文件，若打开多次，则会有多个file结构，但只有一个inode与之对应。
因为驱动工作在内核空间，不能使用用户空间的libc函数，所以程序中打印语句为内核提供的printk，而非printf，KERN_NOTICE宏其实标记的是日志级别（共有八个）不同级别的消息会记录到不同的地方。如果你运行本模块，可能会发现printk语句并没有输出到控制台，这是正常的，控制台只显示一定级别的消息。当日志级别小于console_loglevel时，消息才能显示出来。你可以通过dmsg命令看到这些信息，也可以通过修改日志级别使之输出到你的虚拟终端。
作好以上准备工作后，接下来就可以开始进行向内核申请主设备号了。设备号是干什么吃的？据LDD记载，对字符设备的访问是通过文件系统内的设备名称进行的。那些被称为特殊文件、设备文件的节点，通常位于/dev目录，如果ls -l 查看该目录，第一列中带有c标志的即为字符设备，有b标志的为块设备。而第5、6列所示的两个数字分别为设备的主、次设备号。通常，主设备号标识设备所用的驱动程序（现在大多设备仍然采用“一个主设备号对应一个驱动程序”的规则），次设备号用于确定设备，比如你有两块网卡，使用同一驱动，主设备号相同，那么他们将由次设备号区分。
/* Module housekeeping */
static int hello_init(void){
int result;
dev_t dev = MKDEV( hello_major, 0 );/*to transfer major as dev_t type*/
/* alloc the major device number dynamicly */
result = alloc_chrdev_region(&dev, 0 ,1, "hello" );
if( result < 0 ){
printk( KERN_NOTICE"Hello: unable to get major %d\n",hello_major );
return result;
}
hello_major = MAJOR(dev);
/* set up devices, in this case, there is only one device */
printk( KERN_NOTICE"hello init. major:%d, minor:%d\n",hello_major,0 );
//printk( KERN_ALERT"hello init: %d, %d\n",hello_major,0 );
hello_setup_cdev(&hellow, 0 , &hello_ops );
return 0;
}
/* Exit routine */
static void hello_exit(void){
/* remove the cdev from kernel */
cdev_del(&hellow );
/* release the device numble alloced earlier */
unregister_chrdev_region( MKDEV( hello_major, 0 ), 1 );
printk( KERN_NOTICE"hello exit. major:%d,minor %d\n",hello_major,0 );
}
这里主设备号的分配由alloc_chrdev_region（第一个参数为dev_t 指针，用来存放设备编号，第二个参数为要使用的第一个次设备号，通常为0，第三个参数为请求的连续设备编号个数）动态分配，当然也可以静态指定一个未被使用的主设备号，相应函数为register_chrdev_region,但不推荐这样做。在模块被卸载时（hello_exit）,通过unregister_chrdev_region释放设备号。MKDEV宏将给出的主、次设备号转换成dev_t类型，MAJOR，MINOR分别从dev_t中析取主次设备号。
这里几个函数的原型为：
int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);
void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);
/* set up the cdev stucture for a device */
static void hello_setup_cdev( struct cdev *dev, int minor, struct
file_operations *fops ){
int err;
int devno = MKDEV( hello_major, minor );
/* initialize the cdev struct */
cdev_init( dev,fops );
dev->owner = THIS_MODULE;
err = cdev_add( dev, devno, 1 ); /* register the cdev in the kernel */
if( err )
printk( KERN_NOTICE"Error %d adding hello%d\n",err ,minor );
}
最后module_init( hello_init ); module_exit( hello_exit );指定了模块初始化和关闭函数。MODULE_LICENSE( "Dual BSD/GPL" ); 指定模块使用的许可证能被内核识别的许可证有GPL、GPL v2、 Dual BSD/GPL、 Dual MPL/GPL、Proprietary（专有）等，如果模块没有显式标记许可证，则会被认定为“专有”，内核加载这样的模块会被“污染”。
/* register the init and exit routine of the module */
module_init( hello_init );
module_exit( hello_exit );
MODULE_AUTHOR( "jabenwang" );
MODULE_LICENSE( "Dual BSD/GPL" );
到这里，这个字符设备驱动已经完成，接下来就是编译它。
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编译代码
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这个是我写的makefile文件，在我台机上我没把这个模块加入到内核源码的字符设备目录下，而是放在了用户目录下面。但这个makefile文件对以上两种情况都支持：
#wjb add 2011-10-21
ifneq ($(KERNELRELEASE), )
obj-m := hellow.o
else
KERNELDIR =/lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD :=$(shell pwd)
.PHONY: modules modules_install clean
modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
modules_install:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_install
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) clean
endif
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模块加载&设备文件节点构造：
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1. 编译成功后，会得到hellow.ko, 这时你就可以通过insmod命令加载模块
# insmod hellow.ko
这时你的日志控制台中会出现hello_init中的打印信息，如果你使用lsmod列出当前已加载模块，会发现hellow模块赫然在目:
root@ubuntu:~/share/hellow# ls
a.out hellow.ko hellow.o Makefile Module.symvers
hellow.c hellow.mod.c main.c Makefile~
hellow.c~ hellow.mod.o main.c~ modules.order
root@ubuntu:~/share/hellow# insmod hellow.ko
root@ubuntu:~/share/hellow# dmesg | tail
[ 3711.851658] hello init. major:251, minor:0
2.要想使用驱动，你需要在/dev 目录下建立设备文件节点，语法是
mknod [options]name {bc} major minor
这里需要知道设备的主、次设备号，何以知之？使用cat /proc/devices | grep hello 你就会得到其主设备号
比如我这里得知hellow的主设备号为251
那么就用下面的命令：
root@ubuntu:~/share/hellow# mknod /dev/hellow c 251 0
c表示字符设备，这样就可以通过该设备文件操作设备了。
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测试程序：
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现在就可以通过系统调用操作设备了，我写了一个测试程序来调用：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main(void)
{
int fd, ret;
char *buf = " Hello world !";
char temp[10] = "0";
fd = open ( "/dev/hellow" , O_RDWR);
if ( fd == -1 )
{
perror("open");
exit(0);
}
ret = write( fd, buf,strlen(buf));
if ( ret == -1 )
{
perror("write");
exit(0);
}
ret = read ( fd ,temp, strlen(temp) );
if ( ret == -1)
{
perror("read");
exit(0);
}
close(fd);
return 0;
}
root@ubuntu:~/share/hellow# gcc main.c
生成的目标文件为a.out
运行之：
root@ubuntu:~/share/hellow# ./a.outroot@ubuntu:~/share/hellow# dmesg | tail结果：
[ 4082.930492] Hello device open!
[ 4082.930520] hello: user has written 14 bytes to me: Hello world !
[ 4082.930524] hello: user read 1 bytes from me. A
[ 4082.930829] Hello device close!
当然，如果你想移除这个字符设备，可以输入如下命令：
root@ubuntu:~/share/hellow# rmmod hellow
root@ubuntu:~/share/hellow# dmesg | tail
结果显示如下信息，说明已经移除：
[ 4344.602407] hello exit. major:251,minor 0
