• Linux驱动实践:一步一步编写字符设备驱动程序

  • 发布日期:2021-11-22 05:43    点击次数:141

    别人的经验,我们的阶梯!

    大家好,我是道哥,今天我们继续讨论: Linux 中字符设备的驱动程序。

    在上一篇文章中Linux驱动实践:你知道【字符设备驱动程序】的两种写法吗?我们说过:字符设备的驱动程序,有两套不同的API函数,并且在文中详细演示了利用旧的API函数来编写驱动程序。

    这篇文章,我们继续这个话题,实际演示一下:字符设备驱动程序的另一套API函数的使用方法。

    API 函数

    这里主要关注下面这 3 个函数:

    // 静态注册设备 int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);  // 动态注册设备 int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name);  // 卸载设备 void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count); 

    关于静态和动态注册,主要的区别就在于:主设备号由谁来主导分配!

    静态注册:由我们的驱动程序来指定主设备号,即参数1:from;

    动态注册:由操作系统来分配,驱动程序提供一个变量来接收该设备号,即参数1: dev 指针;

    另外,在Linux 2.6后期的内核版本中,引入了 cdev 结构来描述一个字符设备,它的结构体成员是:

    struct cdev {     struct kobject kobj;    // 内嵌的kobject对象     struct module *owner;   // 所属模块     const struct file_operations *ops;//文件操作结构体     struct list_head list;  // 链表句柄     dev_t dev;              // 设备号     unsigned int count; }; 

    与这个结构体相关的处理函数有:

    void cdev_init(struct cdev *,struct file_operations *); 初始化 cdev 的成员,主要是设置 file_operations。 strcut cdev *cdev_alloc(void); 动态申请 cdev 内存。 void cdev_put(strcut cdev *p); 与 count 计数相关的操作。 int cdev_add(struct cdev *,dev_t ,unsigned ); 向系统中添加一个 cdev,注册字符设备,需要在驱动被加载的时候调用。 void cdev_del(struct cdev *); 从系统中删除一个 cdev,注销字符设备,需要在驱动被卸载的时候调用。 后面在代码演示的时候,可以看到cdev结构是如何被使用的。 编写驱动

    按照惯例,我们仍然按照步骤,来讨论如何利用上述的APIs,来手写一个字符设备的驱动程序。

    以下所有操作的工作目录,都是与上一篇文章相同的,即:~/tmp/linux-4.15/drivers/。

    创建驱动目录和驱动程序

    $ cd linux-4.15/drivers/ $ mkdir my_driver2 $ cd my_driver2 $ touch driver2.c 

    driver2.c 文件的内容如下(不需要手敲,文末有代码下载链接):

    #include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/ctype.h> #include <linux/device.h> #include <linux/cdev.h>  static struct cdev my_cdev; static dev_t dev_no;  int driver2_open(struct inode *inode, struct file *file) {     printk("driver2_open is called. \n");     return 0; }  ssize_t driver2_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos) {     printk("driver2_read is called. \n");     return 0; }  ssize_t driver2_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos) {     printk("driver2_write is called. \n");     return 0; }   static const struct file_operations driver2_ops={     .owner = THIS_MODULE,     .open  = driver2_open,     .read  = driver2_read,     .write = driver2_write, };   static int __init driver2_init(void) {     printk("driver2_init is called. \n");      // 初始化cdev结构     cdev_init(&my_cdev, &driver2_ops);      // 注册字符设备     alloc_chrdev_region(&dev_no, 0, 2, "driver2");     cdev_add(&my_cdev, dev_no, 2);      return 0; }   static void __exit driver2_exit(void) {     printk("driver2_exit is called. \n");      // 注销设备     cdev_del(&my_cdev);       // 注销设备号     unregister_chrdev_region(dev_no, 2); }   MODULE_LICENSE("GPL"); module_init(driver2_init); module_exit(driver2_exit); 

    这里看一下加载驱动模块时调用的 driver2_init( ) 函数,其中的 cdev_init 用来把cdev结构体与 file_operations 发生关联。

    在调用 alloc_chrdev_region( ) 时,操作系统分配了主设备号,并且保存在 dev_no 变量中,然后 cdev_add() 再把设备号与cdev结构体进行关联。

    创建 Makefile 文件
    $ touch Makefile 

    内容如下:

    ifneq ($(KERNELRELEASE),)     obj-m := driver2.o else     KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build     PWD := $(shell pwd) default:     $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules clean:     $(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean endif 

    编译驱动模块

    $ make 

    得到驱动程序: driver2.ko 。

    加载驱动模块

    在加载驱动模块之前,先来检查一下系统中,几个与驱动设备相关的地方。

    先看一下 /dev 目录下,目前还没有我们的设备节点( /dev/driver2 )。

    $ ll /dev/driver2 ls: cannot access '/dev/driver2': No such file or directory 

    再来查看一下 /proc/devices 目录下,也没有 driver2 设备的设备号。

    $ cat /proc/devices 

    /proc/devices 文件: 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。

    为了方便查看打印信息,把dmesg输出信息清理一下:

    $ sudo dmesg -c 

    执行如下指令,加载驱动模块:

    $ sudo insmod driver2.ko 

    当驱动程序被加载的时候,通过 module_init( ) 注册的函数 driver2_init() 将会被执行,那么其中的打印信息就会输出。

    还是通过 dmesg 指令来查看驱动模块的打印信息:

    $ dmesg 

    此时,驱动模块已经被加载了!

    来查看一下 /proc/devices 目录下显示的设备号:

    $ cat /proc/devices 

    设备已经注册了,主设备号是: 244 。

    但是,此时在/dev目录下,还没有我们需要的设备节点。

    在上一篇文章中介绍过,还可以利用 Linux 用户态的 udev 服务来自动创建设备节点。

    现在,我们手动创建设备节点:

    $ sudo mknod -m 660 /dev/driver2 c 244 0 

    主设备号 244 是从 /proc/devices 查到的。

    检查一下是否创建成功:

    $ ll /dev/driver2 

    现在,设备的驱动程序已经加载了,设备节点也被创建好了,应用程序就可以来操作(读、写)这个设备了。

    应用程序

    应用程序仍然放在 ~/tmp/App/ 目录下。

    $ mkdir ~/tmp/App/app_driver2 $ cd ~/tmp/App/app_driver2 $ touch app_driver2.c 

    文件内容如下:

    #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h>   int main(void) {     int ret;     int read_data[4] = { 0 };     int write_data[4] = {1, 2, 3, 4};     int fd = open("/dev/driver2", O_RDWR);     if (-1 != fd)     {         ret = read(fd, read_data, 4);         printf("read ret = %d \n", ret);          ret = write(fd, write_data, 4);         printf("write ret = %d \n", ret);     }     else     {         printf("open /dev/driver2 failed! \n");     }      return 0; } 

    接下来就是编译和测试了:

    $ gcc app_driver2.c -o app_driver2 $  $ sudo ./app_driver2  [sudo] password for xxx: <输入用户密码> read ret = 0  write ret = 0 

    从返回值来看,成功打开了设备,并且调用读函数、写函数都成功了!

    继续用dmesg命令查看一下:

    卸载驱动模块

    卸载指令:

    $ sudo rmmod driver2 

    此时,/proc/devices 下主设备号 244 的 driver2 已经不存在了。

    再来看一下 dmesg的打印信息:

    可以看到:驱动程序中的 driver2_exit( ) 被调用执行了!

    小结

    以上就是利用“新的” API 函数,来编写字符设备的驱动程序。

    代码结构还是非常清晰的,这得益于Linux良好的驱动程序架构设计!这也是每一名架构师需要学习、努力模仿的地方。

    本文转载自微信公众号「IOT物联网小镇」

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