Linux字符设备驱动

一、字符设备基础

字符设备：是指只能一个字节一个字节进行读写操作的设备，不能随机读取设备中的某一数据、读取数据要按照先后数据。字符设备是面向流的设备，常见的字符设备有鼠标、键盘、串口、控制台和LED等。

一般每个字符设备或者块设备都会在/dev目录（可以是任意目录，这样是为了统一）下对应一个设备文件。linux用户层程序通过设备文件来使用驱动程序操作字符设备或块设备。

二、字符设备驱动与用户空间访问该设备的程序三者之间的关系

字符设备是3大类设备（字符设备、块设备、网络设备）中较简单的一类设备、其驱动程序中完成的主要工作是初始化、添加和删除 struct cdev 结构体，申请和释放设备号，以及填充 struct file_operations 结构体中断的操作函数，实现 structfile_operations 结构体中的read()、write()和ioctl()等函数是驱动设计的主体工作。

如图，在Linux内核代码中：

使用struct cdev结构体来抽象一个字符设备；
通过一个dev_t类型的设备号（分为主（major）、次设备号（minor））一确定字符设备唯一性；
通过struct file_operations类型的操作方法集来定义字符设备提供个VFS的接口函数。

三、字符设备模型

1、Linux内核中，使用 struct cdev 来描述一个字符设备

<include/linux/cdev.h>  

struct cdev {   
　　struct kobject kobj;                  //内嵌的内核对象.  
　　struct module *owner;                 //该字符设备所在的内核模块（所有者）的对象指针，一般为THIS_MODULE主要用于模块计数  
　　const struct file_operations *ops;    //该结构描述了字符设备所能实现的操作集（打开、关闭、读/写、...），是极为关键的一个结构体
　　struct list_head list;                //用来将已经向内核注册的所有字符设备形成链表
　　dev_t dev;                            //字符设备的设备号，由主设备号和次设备号构成（如果是一次申请多个设备号，此设备号为第一个）
　　unsigned int count;                   //隶属于同一主设备号的次设备号的个数
　　...
};

对于struct cdev内核提供了一些操作接口：

头文件linux/cdev.h

动态申请（构造）cdev内存（设备对象）

struct cdev *cdev_alloc(void);　　
/* 返回值：
　　　　成功 cdev 对象首地址
　　　　失败：NULL */

初始化cdev的成员，并建立cdev和file_operations之间关联起来

void cdev_init(struct cdev *p, const struct file_operations *p);　　
/* 参数：
　　　　struct cdev *p - 被初始化的 cdev对象
　　　　const struct file_operations *fops - 字符设备操作方法集 */

注册cdev设备对象（添加到系统字符设备列表中）

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);
/* 参数：
　　　　struct cdev *p - 被注册的cdev对象
　　　　dev_t dev - 设备的第一个设备号
　　　　unsigned - 这个设备连续的次设备号数量
   返回值：
　　　　成功：0
　　　　失败：负数（绝对值是错误码）*/

将cdev对象从系统中移除（注销）

void cdev_del(struct cdev *p);
/*参数：　
　　　　struct cdev *p - 要移除的cdev对象 */

释放cdev内存

void cdev_put(struct cdev *p);
/*参数：
　　　　struct cdev *p - 要移除的cdev对象 */

2、设备号申请/释放

一个字符设备或块设备都有一个主设备号和一个次设备号。主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序，用来反映设备类型。次设备号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备，用来区分同类型的设备。

linux内核中，设备号用dev_t来描述：

typedef u_long dev_t;　　// 在32位机中是4个字节，高12位表示主设备号，低20位表示次设备号。

内核也为我们提供了几个方便操作的宏实现dev_t：

#define MAJOR(dev)    ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))　　// 从设备号中提取主设备号
#define MINOR(dev)    ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))　　// 从设备号中提取次设备号
#define MKDEV(ma,mi)    (((ma) << MINORBITS) | (mi))</span>　　// 将主、次设备号拼凑为设备号
/* 只是拼凑设备号,并未注册到系统中，若要使用需要竞态申请 */

头文件 linux/fs.h

a - 静态申请设备号

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
/* 参数：
　　　　dev_t from - 要申请的设备号（起始）
　　　　unsigned count - 要申请的设备号数量
　　　　const char *name - 设备名
   返回值：
　　　　成功：0
　　　　失败：负数（绝对值是错误码）*/

b - 动态分配设备号

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);
/* 参数：
　　　　dev_t *dev - 用于保存分配到的第一个设备号（起始）
　　　　unsigned baseminor - 起始次设备号
　　　　unsigned count - 要分配设备号的数量
　　　　const char *name - 设备名
   返回值：
　　　　成功：0
　　　　失败：负数（绝对值是错误码）*/

c - 释放设备号

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
/* 参数：
　　　　dev_t from - 要释放的第一个设备号（起始）
　　　　unsigned count - 要释放的次设备号数量 */

d、创建设备文件：

利用cat /proc/devices查看申请到的设备名，设备号。

使用mknod手工创建：mknod filename type major minor
自动创建设备节点:利用udev（mdev）来实现设备文件的自动创建，首先应保证支持udev（mdev），由busybox配置。在驱动初始化代码里调用class_create为该设备创建一个class，再为每个设备调用device_create创建对应的设备。

详细解析见： Linux设备文件自动生成

**3、struct cdev 中的 file_operations *fops成员**

Linux下一切皆是“文件”，字符设备也是这样，file_operations结构体中的成员函数是字符设备程序设计的主题内容，这些函数实际会在用户层程序进行Linux的open()、close()、write()、read()等系统调用时最终被调用。

标准化：如果做到极致，应用层仅仅需要一套系统调用接口函数。

"文件"的操作接口结构：

struct file_operations {
　　struct module *owner;　　
　　　　/* 模块拥有者，一般为 THIS——MODULE */
　　ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);　　
　　　　/* 从设备中读取数据，成功时返回读取的字节数，出错返回负值（绝对值是错误码） */
　　ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);　　　
　　　　/* 向设备发送数据，成功时该函数返回写入字节数。若为被实现，用户调层用write()时系统将返回 -EINVAL*/
　　int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);　　
　　　　/* 将设备内存映射内核空间进程内存中，若未实现，用户层调用 mmap()系统将返回 -ENODEV */
　　long (*unlocked_ioctl)(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);　　
　　　　/* 提供设备相关控制命令（读写设备参数、状态，控制设备进行读写...）的实现，当调用成功时返回一个非负值 */
　　int (*open) (struct inode *, struct file *);　　
　　　　/* 打开设备 */
　　int (*release) (struct inode *, struct file *);　　
　　　　/* 关闭设备 */
　　int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);　　
　　　　/* 刷新设备 */
　　loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);　　
　　　　/* 用来修改文件读写位置，并将新位置返回，出错时返回一个负值 */
　　int (*fasync) (int, struct file *, int);　　
　　　　/* 通知设备 FASYNC 标志发生变化 */
　　unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);　　
　　　　/* POLL机制，用于询问设备是否可以被非阻塞地立即读写。当询问的条件未被触发时，用户空间进行select()和poll()系统调用将引起进程阻塞 */
　　...
};

四、简单字符设备实例

cdev_module.c

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <asm/current.h>
#include <linux/sched.h>

MODULE_LICENSE("GPL");

static int major = 0; 
static int minor = 0; 
const int count = 3; 
#define DEVNAME "demo" 
static struct cdev *demop = NULL; 
//打开设备 
static int demo_open(struct inode *inode, struct file *filp) 
{ 
　　//get command and pid 
　　printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__); 
　　//get major and minor from inode 
　　printk(KERN_INFO "(major=%d, minor=%d), %s : %s : %d\n", imajor(inode), iminor(inode), __FILE__, __func__, __LINE__); 
　　return 0; 
} 
//关闭设备 
static int demo_release(struct inode *inode, struct file *filp) 
{ 
　　//get command and pid 
　　printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__); 
　　//get major and minor from inode 
　　printk(KERN_INFO "(major=%d, minor=%d), %s : %s : %d\n", imajor(inode), iminor(inode), __FILE__, __func__, __LINE__); 
　　return 0; 
} 
//读设备
static ssize_t demo_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset) 
{
　　struct inode *inode = filp->f_path.dentry->d_inode; 
　　//get command and pid 
　　printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__); 
　　//get major and minor from inode 
　　printk(KERN_INFO "(major=%d, minor=%d), %s : %s : %d\n", imajor(inode), iminor(inode), __FILE__, __func__, __LINE__); 
　　return 0; 
} 
//写设备 
static ssize_t demo_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset) 
{ 
　　struct inode *inode = filp->f_path.dentry->d_inode; 
　　//get command and pid 
　　printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__); 
　　//get major and minor from inode 
　　printk(KERN_INFO "(major=%d, minor=%d), %s : %s : %d\n", imajor(inode), iminor(inode), __FILE__, __func__, __LINE__); 
　　return 0; 
} 
//操作方法集 
static struct file_operations fops = {
　　.owner = THIS_MODULE, .open = demo_open, 
　　.release= demo_release, 
　　.read = demo_read, 
　　.write = demo_write, 
}; 
//cdev设备模块初始化 
static int __init demo_init(void) 
{ 
　　dev_t devnum; int ret; 
　　//get command and pid 
　　printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__); 
　　//1. alloc cdev obj 
　　demop = cdev_alloc(); 
　　if(NULL == demop) { 
　　　　return -ENOMEM; 
　　}
    //2. init cdev obj
    cdev_init(demop, &fops);
    ret = alloc_chrdev_region(&devnum, minor, count, DEVNAME);
    if(ret){
        goto ERR_STEP;
    }
    major = MAJOR(devnum);
    //3. register cdev obj
    ret = cdev_add(demop, devnum, count);
    if(ret){
        goto ERR_STEP1;
    }
    //get command and pid
    printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d - ok.\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__);
    return 0;

ERR_STEP1:
    unregister_chrdev_region(devnum, count);

ERR_STEP:
    cdev_del(demop);
    //get command and pid
    printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d - fail.\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__);
    return ret;
}

static void __exit demo_exit(void)
{
    //get command and pid
    printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d - leave.\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__);
    unregister_chrdev_region(MKDEV(major, minor), count);
    cdev_del(demop);
}

module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);

test.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main(int num, char *arg[])
{
    if(2 != num){
        printf("Usage: %s /dev/devfile\n", arg[0]);
        return -1;
    }
    int fd = open(arg[1], O_RDWR);
    if(0 > fd){
        perror("open");
        return -1;
    }
    getchar();
    int ret = read(fd, 0x321, 0);
    printf("read: ret = %d.\n", ret);
    getchar();
    ret = write(fd, 0x123, 0);
    printf("write: ret = %d.\n", ret);
    getchar();
    close(fd);
    return 0;
}

Makefile

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m = demo.o

else

KERNELDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build

PWD := $(shell pwd)

modules:

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules

endif

clean:

rm -rf .tmp_versions Module.symvers modules.order .tmp_versions .*.cmd *.o *.ko *.mod.c

编译成功后，使用 insmod 命令加载：