专题10-字符设备驱动模型
第1课-使用字符驱动程序
- 编译/安装驱动
在Linux系统中，驱动程序通常采用内核模块的程序结构来进行编码。因此，编译/安装一个驱动程序，其实质就是编译/安装一个内核模块。
例子：字符设备驱动程序
编写makefile文件：
obj-m := memdev.o
KDIR := /home/S5-driver/lesson7/linux-tiny6410/
all:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules CROSS_COMPILE=arm-linux- ARCH=arm
clean:
rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers *.bak *.order
编写memdev.c文件：
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
int dev1_registers[5];
int dev2_registers[5];
struct cdev cdev;
dev_t devno;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);
if (num==0)
filp->private_data = dev1_registers;
else if(num == 1)
filp->private_data = dev2_registers;
else
return -ENODEV; //无效的次设备号
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器基地址*/
/*判断读位置是否有效*/
if (p >= 5*sizeof(int))
return 0;
if (count > 5*sizeof(int) - p)
count = 5*sizeof(int) - p;
/*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, register_addr+p, count))
{
ret = -EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;
}
return ret;
}
/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器地址*/
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= 5*sizeof(int))
return 0;
if (count > 5*sizeof(int) - p)
count = 5*sizeof(int) - p;
/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(register_addr + p, buf, count))
ret = -EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;
}
return ret;
}
/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
loff_t newpos;
switch(whence) {
case SEEK_SET:
newpos = offset;
break;
case SEEK_CUR:
newpos = filp->f_pos + offset;
break;
case SEEK_END:
newpos = 5*sizeof(int)-1 + offset;
break;
default:
return -EINVAL;
}
if ((newpos<0) || (newpos>5*sizeof(int)))
return -EINVAL;
filp->f_pos = newpos;
return newpos;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
/* 注册字符设备 */
alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
cdev_add(&cdev, devno, 2);
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
unregister_chrdev_region(devno, 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
编译文件，我们就会得到memdev.ko文件，这就是我们编写的驱动模块。
- 字符设备文件
通过字符设备文件，应用程序可以使用相应的字符设备驱动程序来控制字符设备。创建字符设备文件的方法一般有两种：
[应用程序]传递文件名给[字符设备文件]传递主设备号给[设备驱动程序]。
（1） 使用mknod命令
mknod /dev/文件名 c 主设备号 次设备号
（2） 使用函数在驱动程序中创建
例子：创建字符设备文件
write-men.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
int fd = 0;
int src = 2013;
/*打开设备文件*/
fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);
/*写入数据*/
write(fd, &src, sizeof(int));
/*关闭设备*/
close(fd);
return 0;
}
read-men.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
int fd = 0;
int dst = 0;
/*打开设备文件*/
fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);
/*写入数据*/
read(fd, &dst, sizeof(int));
printf("dst is %d ",dst);
/*关闭设备*/
close(fd);
return 0;
}
第2课-字符设备驱动模型
- 设备描述结构cdev
在Linux系统中，设备的类型非常繁多，如：字符设备，块设备，网络接口设备，USB设备，PCI设备，平台设备，混杂设备……，而设备类型不同，也意味着其对应的驱动程序模型不同，这样就导致了我们需要去掌握众多的驱动程序模型。那么能不能从这些众多的驱动模型中提炼出一些具有共性的规则，这是我们能不能学好Linux驱动的关键。
（1）设备驱动模型：
设备驱动模型主要分为三个部分，分别是：驱动初始化，实现设备操作和驱动注销。
驱动的初始化主要包括：分配设备描述结构；初始化设备描述结构；注册设备描述结构和硬件初始化。
（2）设备描述结构
在任何一种驱动模型中，设备都会用内核中的一种结构来描述。我们的字符设备在内核中使用struct cdev来描述。
struct cdev {
struct kobject kobj;
struct module *owner;
const struct file_operations *ops; //设备操作集
struct list_head list;
dev_t dev; //设备号
unsigned int count; //设备数
};
（3） 设备号
在命令/dev目录下可以查看设备号，逗号前面的是主设备号，后面的是次设备号。
我们使用的字符设备驱动是依靠字符设备文件来找到的，字符设备文件与字符驱动程序是依靠主设备号建立起对应关系的。
一个驱动程序不可能只处理一个驱动设备，比如开发板上有两个串口接口。为了区分不同的设备，它们对应的设备文件的主设备号一样但是次设备号不一样。
- 设备号-操作
Linux内核中使用dev_t类型来定义设备号，dev_t这种类型其实质为32位的unsigned int，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号。
问1：如果知道主设备号，次设备号，怎么组合成dev_t类型
答：dev_t dev = MKDEV(主设备号，次设备号)
问2: 如何从dev_t中分解出主设备号?
答: 主设备号= MAJOR(dev_t dev)
问3: 如何从dev_t中分解出次设备号？
答: 次设备号=MINOR(dev_t dev)
- 设备号-分配
静态申请
开发者自己选择一个数字作为主设备号，然后通过register_chrdev_region向内核申请使用。缺点：如果申请使用的设备号已经被内核中的其他驱动使用了，则申请失败。
动态分配
使用alloc_chrdev_region由内核分配一个可用的主设备号。
优点：因为内核知道哪些号已经被使用了，所以不会导致分配到已经被使用的号。
- 设备号-注销
不论使用何种方法分配设备号，都应该在驱动退出时，使用unregister_chrdev
_region函数释放这些设备号。
（4） 操作函数集
应用程序依靠一系列的函数（read,write,open）打开字符设备文件，字符设备文件根据映射关系表，将不同指令函数出发的程序发送给字符设备驱动。这个表就是file_operations结构。
Struct file_operations是一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作。结构中的函数指针指向驱动中的函数,这些函数实现一个针对设备的操作, 对于不支持的操作则设
置函数指针为NULL。例如：
struct file_operations dev_fops = {
.llseek = NULL,
.read = dev_read,
.write = dev_write,
.ioctl = dev_ioctl,
.open = dev_open,
.release = dev_release,
};
2． 字符设备驱动模型
（1）驱动初始化
- 分配cdev
cdev变量的定义可以采用静态和动态两种办法。
静态分配：struct cdev mdev;
动态分配：struct cdev *pdev = cdev_alloc();
- 初始化cdev
struct cdev的初始化使用cdev_init函数来完成。
cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
参数：
cdev: 待初始化的cdev结构，
fops: 设备对应的操作函数集。
- 注册cdev
字符设备的注册使用cdev_add函数来完成。
cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
参数：
p: 待添加到内核的字符设备结构，
dev: 设备号，
count: 该类设备的设备个数。
- 硬件初始化
根据硬件芯片手册，完成初始化。
（2）实现设备操作
open, read, write, lseek, close，也叫做设备方法。
int (*open) (struct inode *, struct file *)：打开设备，响应open系统。
int (*release) (struct inode *, struct file *)：关闭设备，响应close系统调用。
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int)：重定位读写指针，响应lseek系统调用
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)：从设备读取数据，响应read系统调用。
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)：向设备写入数据，响应write系统调用。
Struct file：
在Linux系统中，每一个打开的文件，在内核中都会关联一个struct file，它由内核在打开文件时创建, 在文件关闭后释放。
重要成员：
loff_t f_pos /*文件读写指针*/
struct file_operations *f_op /*该文件所对应的操作*/
Struct inode：
每一个存在于文件系统里面的文件都会关联一个inode 结构，该结构主要用来记录文件物理上的信息。因此, 它和代表打开文件的file结构是不同的。一个文件没有被打开时不会关联file结构，但是却会关联一个inode 结构。
重要成员，dev_t i_rdev：设备号
open
open设备方法是驱动程序用来为以后的操作完成初始化准备工作的。在大部分驱动程序中，open完成如下工作：标明次设备号，启动设备。
release
release方法的作用正好与open相反。这个设备方法有时也称为close，它应该：关闭设备。
read
read设备方法通常完成2件事情：从设备中读取数据(属于硬件访问类操作)；将读取到的数据返回给应用程序。
ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)
参数分析：
filp：与字符设备文件关联的file结构指针, 由内核创建。
buff : 从设备读取到的数据，需要保存到的位置。由read系统调用提供该参数。
count: 请求传输的数据量，由read系统调用提供该参数。
offp: 文件的读写位置，由内核从file结构中取出后，传递进来。
buff参数是来源于用户空间的指针，这类指针都不能被内核代码直接引用，必须使用专门的函数。
int copy_from_user(void *to, const void __user *from, int n)
int copy_to_user(void __user *to, const void *from, int n)
write
write设备方法通常完成2件事情：从应用程序提供的地址中取出数据；将数据写入设备(属于硬件访问类操作)
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)
其参数类似于read
（3）驱动注销
当我们从内核中卸载驱动程序的时候，需要使用cdev_del函数来完成字符设备的注销。
3. 范例驱动分析
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/slab.h>
int dev1_registers[5];
int dev2_registers[5];
struct cdev cdev;
dev_t devno;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);
if (num==0)
filp->private_data = dev1_registers;
else if(num == 1)
filp->private_data = dev2_registers;
else
return -ENODEV; //无效的次设备号
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器基地址*/
/*判断读位置是否有效*/
if (p >= 5*sizeof(int))
return 0;
if (count > 5*sizeof(int) - p)
count = 5*sizeof(int) - p;
/*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, register_addr+p, count))
{
ret = -EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;
}
return ret;
}
/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器地址*/
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= 5*sizeof(int))
return 0;
if (count > 5*sizeof(int) - p)
count = 5*sizeof(int) - p;
/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(register_addr + p, buf, count))
ret = -EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;
}
return ret;
}
/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
loff_t newpos;
switch(whence) {
case SEEK_SET:
newpos = offset;
break;
case SEEK_CUR:
newpos = filp->f_pos + offset;
break;
case SEEK_END:
newpos = 5*sizeof(int)-1 + offset;
break;
default:
return -EINVAL;
}
if ((newpos<0) || (newpos>5*sizeof(int)))
return -EINVAL;
filp->f_pos = newpos;
return newpos;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
/* 注册字符设备 */
alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
cdev_add(&cdev, devno, 2);
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
unregister_chrdev_region(devno, 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
第3课-自己动手写驱动
表写驱动程序主要依赖于上节课的框架，大纲如下：
- 驱动初始化：
（1） 分配cdev：静态分配、动态分配
（2） 初始化cdev：cdev_int
（3） 注册cdev：cdev_add
（4） 硬件初始化
- 实现设备操作
（1） open
（2） read：copy_to_user
（3） write：copy_from_user
（4） lseek
（5） close
- 驱动注销
（1） cdev_del
（2） unregister_chrdev_region
例子：
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/slab.h>
int dev1_registers[5];
int dev2_registers[5];
struct cdev cdev;
dev_t devno;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);
if (num==0)
filp->private_data = dev1_registers;
else if(num == 1)
filp->private_data = dev2_registers;
else
return -ENODEV; //无效的次设备号
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器基地址*/
/*判断读位置是否有效*/
if (p >= 5*sizeof(int))
return 0;
if (count > 5*sizeof(int) - p)
count = 5*sizeof(int) - p;
/*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, register_addr+p, count))
{
ret = -EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;
}
return ret;
}
/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器地址*/
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= 5*sizeof(int))
return 0;
if (count > 5*sizeof(int) - p)
count = 5*sizeof(int) - p;
/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(register_addr + p, buf, count))
ret = -EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;
}
return ret;
}
/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
loff_t newpos;
switch(whence) {
case SEEK_SET:
newpos = offset;
break;
case SEEK_CUR:
newpos = filp->f_pos + offset;
break;
case SEEK_END:
newpos = 5*sizeof(int)-1 + offset;
break;
default:
return -EINVAL;
}
if ((newpos<0) || (newpos>5*sizeof(int)))
return -EINVAL;
filp->f_pos = newpos;
return newpos;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
/* 注册字符设备 */
alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
cdev_add(&cdev, devno, 2);
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
unregister_chrdev_region(devno, 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
第4课-字符驱动访问揭秘
因为内核的原因，应用程序才能访问驱动程序。