本文介绍字符设备驱动的一般开发方法，第一章介绍linux内核设备号的概念和使用，第二章和第三章分别介绍新旧版本的字符设备驱动开发。第四章以典型的linux下的LED驱动为例介绍字符设备驱动开发。
文章目录
一、linux设备号
1.1 基本概念
linux用dev_t来表示设备号，dev_t就是一个unsigned int类型，高12位是主设备号，低20位是次设备号。因此，linux的主设备号的范围为0~4095。使用cat /proc/devices查看系统已用的设备号。dev_t的具体定义如下：
// include/linux/types.h
typedef __u32 __kernel_dev_t;
typedef __kernel_dev_t dev_t;
// include/uapi/asm-generic/int-ll64.h
typedef unsigned int __u32;
1.2 设备号操作函数
#define MINORBITS 20 //次设备号位数
#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1) //次设备号掩码
#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))//获取dev_t的主设备号
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))//获取dev_t的次设备号
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))//根据指定的主设备号和次设备号生成dev_t
1.3 设备号的分配
1.3.1 静态分配
有一些设备号被linux内核开发者用掉了，见Documentation/devices.txt，这种方式分配的设备容易产生冲突，推荐使用动态分配。
1.3.2 动态分配
申请设备号函数
/*
dev：保存申请到的设备号。
baseminor： 次设备号起始地址， alloc_chrdev_region 可以申请一段连续的多个设备号，这
些设备号的主设备号一样，但是次设备号不同，次设备号以 baseminor 为起始地址地址开始递
增。一般 baseminor 为 0，也就是说次设备号从 0 开始。
count： 要申请的设备号数量。
name：设备名字。
*/
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
释放设备号函数
/*
from：要释放的设备号。
count： 表示从 from 开始，要释放的设备号数量。
*/
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
1.3.3 设备号分配示例
int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */
dev_t devid; /* 设备号 */
if (major) {
/* 定义了主设备号 */
devid = MKDEV(major, 0); /* 大部分驱动次设备号都选择 0 */
register_chrdev_region(devid, 1, "test");
} else {
/* 没有定义设备号 */
alloc_chrdev_region(&devid, 0, 1, "test"); /* 申请设备号 */
major = MAJOR(devid); /* 获取分配号的主设备号 */
minor = MINOR(devid); /* 获取分配号的次设备号 */
｝
二、旧字符设备驱动开发步骤
2.1 字符设备注册与注销
2.1.1 注册、注销基本概念
驱动模块加载成功后，进行字符设备的注册，注册函数如下：
/*
major： 主设备号， Linux 下每个设备都有一个设备号，设备号分为主设备号和次设备号两部分，关于设备号后面会详细讲解。
name：设备名字，指向一串字符串。
fops： 结构体 file_operations 类型指针，指向设备的操作函数集合变量。
*/
static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,const struct file_operations *fops)
卸载驱动模块后，需要注销设备，注销设备的函数如下：
/*
major： 要注销的设备对应的主设备号。
name： 要注销的设备对应的设备名。
*/
static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)
2.1.2 示例
static struct file_operations test_fops;//定义一个操作集合
/* 驱动入口函数 */
static int __init xxx_init(void)
{
/* 入口函数具体内容 */
int retvalue = 0;
/* 注册字符设备驱动 */
retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops);//注册一个设备号为200，名为chrtest的设备
if(retvalue < 0){
/* 字符设备注册失败,自行处理 */
}
return 0;
}
/* 驱动出口函数 */
static void __exit xxx_exit(void)
{
/* 注销字符设备驱动 */
unregister_chrdev(200, "chrtest");
}
/* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);
2.2 实现设备的操作函数
操作函数模板如下：
/* 打开设备 */
static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/* 用户实现具体功能 */
return 0;
}
/* 从设备读取 */
static ssize_t chrtest_read(struct file *filp, char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
/* 用户实现具体功能 */
return 0;
}
/* 向设备写数据 */
static ssize_t chrtest_write(struct file *filp,
const char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
/* 用户实现具体功能 */
return 0;
}
/* 关闭/释放设备 */
static int chrtest_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/* 用户实现具体功能 */
return 0;
}
static struct file_operations test_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = chrtest_open,
.read = chrtest_read,
.write = chrtest_write,
.release = chrtest_release,
};
三、新字符设备驱动
3.1 linux字符设备结构体
linux中用cdev来表示一个字符设备
// include/linux/cdev.h
struct cdev {
struct kobject kobj;
struct module *owner;
const struct file_operations *ops;
struct list_head list;
dev_t dev;
unsigned int count;
};
3.2 新字符设备注册和注销方法
常用函数
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/*
cdev：字符设备句柄
fops：文件操作集合
*/
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)//初始化字符设备
/*
p：字符设备句柄
dev：设备号
count：字符设备数量
*/
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)//注册字符设备
/*
p：字符设备句柄
*/
void cdev_del(struct cdev *p)//注销字符设备
3.3 自动创建设备节点
3.3.1 创建类
/*
owner：一般为THIS_MODULE
name：类的名字
*/
struct class *class_create (struct module *owner, const char *name)//创建类
/*
cls：准备删除的类
*/
void class_destroy(struct class *cls);
3.3.2 创建设备
/*
class：设备创建在哪个类下面
parent：父设备，一般为NULL
devt：设备号
drvdata：一般为NULL
fmt：设备的名字
*/
struct device *device_create(struct class *class,
struct device *parent,
dev_t devt,
void *drvdata,
const char *fmt, ...)
四、字符设备驱动示例-LED
结合第三章的内容：字符设备注册、自动创建设备节点两节内容，去看模块初始化函数led_init，前面的代码都是在为led_init做铺垫，从led_init可以看到linux下字符设备驱动开发的步骤：
- 注册设备号
- 初始化字符设备cdev
- 注册字符设备cdev
- 创建类
- 创建设备
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#define NEWCHRLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
#define NEWCHRLED_NAME "newchrled" /* 名字 */
#define LEDOFF 0 /* 关灯 */
#define LEDON 1 /* 开灯 */
/* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE (0X020C406C)
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE (0X020E0068)
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE (0X020E02F4)
#define GPIO1_DR_BASE (0X0209C000)
#define GPIO1_GDIR_BASE (0X0209C004)
/* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;
/* newchrled设备结构体 */
struct newchrled_dev{
dev_t devid; /* 设备号 */
struct cdev cdev; /* cdev */
struct class *class; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */
};
struct newchrled_dev newchrled; /* led设备 */
/*
* @description : LED打开/关闭
* @param - sta : LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED
* @return : 无
*/
void led_switch(u8 sta)
{
u32 val = 0;
if(sta == LEDON) {
val = readl(GPIO1_DR);
val &= ~(1 << 3);
writel(val, GPIO1_DR);
}else if(sta == LEDOFF) {
val = readl(GPIO1_DR);
val|= (1 << 3);
writel(val, GPIO1_DR);
}
}
/*
* @description : 打开设备
* @param - inode : 传递给驱动的inode
* @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
* 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
filp->private_data = &newchrled; /* 设置私有数据 */
return 0;
}
/*
* @description : 从设备读取数据
* @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
* @param - cnt : 要读取的数据长度
* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
*/
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
return 0;
}
/*
* @description : 向设备写数据
* @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符
* @param - buf : 要写给设备写入的数据
* @param - cnt : 要写入的数据长度
* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
*/
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue;
unsigned char databuf[1];
unsigned char ledstat;
retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
if(retvalue < 0) {
printk("kernel write failed!\r\n");
return -EFAULT;
}
ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */
if(ledstat == LEDON) {
led_switch(LEDON); /* 打开LED灯 */
} else if(ledstat == LEDOFF) {
led_switch(LEDOFF); /* 关闭LED灯 */
}
return 0;
}
/*
* @description : 关闭/释放设备
* @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations newchrled_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = led_open,
.read = led_read,
.write = led_write,
.release = led_release,
};
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static int __init led_init(void)
{
u32 val = 0;
/* 初始化LED */
/* 1、寄存器地址映射 */
IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);
SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);
GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);
/* 2、使能GPIO1时钟 */
val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
val &= ~(3 << 26); /* 清楚以前的设置 */
val |= (3 << 26); /* 设置新值 */
writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);
/* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为
* GPIO1_IO03，最后设置IO属性。
*/
writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
/*寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03设置IO属性
*bit 16:0 HYS关闭
*bit [15:14]: 00 默认下拉
*bit [13]: 0 kepper功能
*bit [12]: 1 pull/keeper使能
*bit [11]: 0 关闭开路输出
*bit [7:6]: 10 速度100Mhz
*bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力
*bit [0]: 0 低转换率
*/
writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);
/* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */
val = readl(GPIO1_GDIR);
val &= ~(1 << 3); /* 清除以前的设置 */
val |= (1 << 3); /* 设置为输出 */
writel(val, GPIO1_GDIR);
/* 5、默认关闭LED */
val = readl(GPIO1_DR);
val |= (1 << 3);
writel(val, GPIO1_DR);
/* 注册字符设备驱动 */
/* 1、创建设备号 */
if (newchrled.major) {
/* 定义了设备号 */
newchrled.devid = MKDEV(newchrled.major, 0);
register_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);
} else {
/* 没有定义设备号 */
alloc_chrdev_region(&newchrled.devid, 0, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME); /* 申请设备号 */
newchrled.major = MAJOR(newchrled.devid); /* 获取分配号的主设备号 */
newchrled.minor = MINOR(newchrled.devid); /* 获取分配号的次设备号 */
}
printk("newcheled major=%d,minor=%d\r\n",newchrled.major, newchrled.minor);
/* 2、初始化cdev */
newchrled.cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&newchrled.cdev, &newchrled_fops);
/* 3、添加一个cdev */
cdev_add(&newchrled.cdev, newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT);
/* 4、创建类 */
newchrled.class = class_create(THIS_MODULE, NEWCHRLED_NAME);
if (IS_ERR(newchrled.class)) {
return PTR_ERR(newchrled.class);
}
/* 5、创建设备 */
newchrled.device = device_create(newchrled.class, NULL, newchrled.devid, NULL, NEWCHRLED_NAME);
if (IS_ERR(newchrled.device)) {
return PTR_ERR(newchrled.device);
}
return 0;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit led_exit(void)
{
/* 取消映射 */
iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
iounmap(GPIO1_DR);
iounmap(GPIO1_GDIR);
/* 注销字符设备驱动 */
cdev_del(&newchrled.cdev);/* 删除cdev */
unregister_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT); /* 注销设备号 */
device_destroy(newchrled.class, newchrled.devid);
class_destroy(newchrled.class);
}
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("qwz");