字符设备驱动框架学习总结

　　linux内核版本：4.14.2

　　内核把所有的字符设备驱动放在一个长度为255的数组中统一管理。每一个数组元素标识一个字符设备驱动，数组元素主要包含两个内容：设备号（包括主设备号和次设备号）和file_operations结构体。数组下标直接对应主设备号，因此，主设备号相同的字符设备驱动只能有255个；file_operations结构体是文件标准操作集，包括open、read、write、ioctl等基本文件操作。

　　字符设备在注册时，会将设备号和file_operations结构体绑定；在创建设备文件时会将设备文件和设备号绑定；应用程序操作设备文件时，VFS会通过设备号将对设备文件的操作映射到file_operations对应的操作；因此，设备驱动程序中只要在file_operations相关操作函数中对硬件操作，那么用户空间的app通过设备文件就能调用file_operations结构体提供的操作间接地对设备进行操作。

　　如上所述，编写一个字符设备驱动需要完成如下工作：

1）申请设备号；

2）定义一个file_operations结构体，并填充结构体，包括对硬件的相关操作；

3）将设备号和file_operations结构体绑定并注册到kernel；

4）用设备号创建设备文件。

 

　　编写字符设备驱动有两种接口：

　　一种接口是使用register_chrdev函数，这个函数直接完成设备号申请、file_operations结构体的绑定以及注册到kernel中；

      另一种接口将设备号申请、file_operrations结构体绑定以及注册步骤分开，其中，设备号申请用register_chrdev_region（静态申请）/ alloc_chrdev_region（动态申请）函数，file_operrations结构体绑定以及注册用cdev_alloc、cdev_init、cdev_add函数完成；

      其实，两种接口内部调用的函数都是一样的，第二种接口只是将第一种接口函数内部的函数拆分开来实现，如下是两种接口内部的函数调用

老接口分析

register_chrdev  -->只能指定主设备号，不能指定次设备号

      __register_chrdev

            __register_chrdev_region -->注册主次设备号

            cdev_alloc  -->kobject_init

            cdev->owner = fops->owner;

            cdev->ops = fops;

            cdev_add  -->kobj_map kobject_get

新接口分析

register_chrdev_region

      __register_chrdev_region

 

alloc_chrdev_region

      __register_chrdev_region

      *dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor)

　　两种接口创建设备文件的方法都是一样的，有两种方法创建设备文件：

1）在shell中直接用命令行创建

      mknod /dev/xxx c 主设备号 次设备号

2）在驱动程序用class_create、device_create函数创建，这种方法中，先用class_create创建一个设备类，然后调用device_create使用设备号基于这个设备类创建设备文件。设备文件最后是由应用程序udev（嵌入式中用的是mdev）来创建的，驱动程序调用class_create、device_create函数会通过netlink向udev传递消息（设备号和设备文件名），udev收到消息后会创建设备文件。

 

　　class_create、device_create函数内部调用如下：

class_create

      __class_create

            struct class *cls;

            __class_register

                  kset_register

                       kobject_uevent -->向udev发送一个事件

device_create

      device_create_vargs

            device_create_groups_vargs

                  struct device *dev = NULL;

                  /* device_initialize和device_add完成设备注册 */

                  device_initialize

                       lockdep_set_novalidate_class

                       device_pm_init

                  device_add

                       kobject_add -->将设备添加

                       /* 操作sysfs的函数 */

                       /* */

                       device_create_file

                             sysfs_create_file

                        device_add_class_symlinks

                           /* 创建符号链接 subsystem -> ../../../../class/lzt_class */

                             sysfs_create_link(&dev->kobj, &dev->class->p->subsys.kobj, "subsystem");

                       device_add_attrs

                       bus_add_device

                       dpm_sysfs_add

                       device_create_sys_dev_entry

                       devtmpfs_create_node

                       kobject_uevent

                       bus_probe_device

 

　　程序示例：

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>


#define USE_OLD    0
#define USE_NEW    1
#define MYCNT   1
#define MYNAME  "testchar"

//设备文件名/dev/char_test
#define DEVNAME   "char_test"

static int major = -1;
static struct class *char_test_class;
static dev_t mydev;
static struct cdev *pcdev;
static char kbuf[100];

static int char_test_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk(KERN_INFO "char_test_open
");

    return 0;
}

static int char_test_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk(KERN_INFO "char_test_close
");
    return 0;
}

static const struct file_operations char_test = {
    .owner        = THIS_MODULE,
    .open         = char_test_open,
    .release = char_test_close,
};

static int __init chrdev_init(void)
{
    int ret;
    printk(KERN_INFO "chrdev_init
");

#if USE_OLD
    /* 注册字符设备 */
    if ((major = register_chrdev(0, MYNAME, &char_test)) < 0) {
        printk(KERN_ERR "%s: register_chrdev failed.
", MYNAME);
        goto lable0;
    }
    else {
        printk(KERN_INFO "register_chrdev successful, major is %d.
", major);
    }

    mydev = MKDEV(major, 0);
#endif

#if USE_NEW
    //动态获取主次设备号，即mydev
    ret = alloc_chrdev_region(&mydev, 0, MYCNT, MYNAME);
    if (ret < 0) {
        printk(KERN_INFO "alloc_chrdev_region failed.
");

        goto lable0;
    }

    printk(KERN_INFO "alloc_chrdev_region success.
");
    printk(KERN_INFO "major = %d minor = %d.
", MAJOR(mydev), MINOR(mydev));

    // 第二步：注册字符设备驱动
    pcdev = cdev_alloc();  //分配内存，实例化指针
    cdev_init(pcdev, &char_test);
    ret = cdev_add(pcdev, mydev, MYCNT);
    if (ret) {
        printk(KERN_INFO "cdev_add failed.
");
        goto lable1;
    }

    printk(KERN_INFO "cdev_add success.
");
#endif

    /* 创建设备文件 */
    char_test_class = class_create(THIS_MODULE, "lll_class");
    if (IS_ERR(char_test_class)) {
        goto lable2;
    }

    // 最后一个参数就是在/dev目录下创建的设备文件的名字
    device_create(char_test_class, NULL, mydev, NULL, DEVNAME);

    return 0;

lable2:
    cdev_del(pcdev);
lable1:
#if USE_OLD
    unregister_chrdev(major, DEVNAME);
#endif

#if USE_NEW
    unregister_chrdev_region(mydev, MYCNT);
#endif
lable0:
    return -EINVAL;
}

static void __exit chrdev_exit(void)
{
    // 注销设备文件
    device_destroy(char_test_class, mydev);
    class_destroy(char_test_class);
    //注销字符设备

#if USE_OLD
    unregister_chrdev(major, DEVNAME);
#endif

#if USE_NEW
    // 注销设备文件
    device_destroy(char_test_class, mydev);
    class_destroy(char_test_class);
    // 注销cdev
    cdev_del(pcdev);
    // 第二步去注销申请的主次设备号
    unregister_chrdev_region(mydev, MYCNT);
#endif
    printk(KERN_INFO "chrdev_exit
");
}

module_init(chrdev_init);
module_exit(chrdev_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("lll");
MODULE_DESCRIPTION("module test");
MODULE_ALIAS("alias xxx");

 　　insmod加载驱动后，生成设备文件/dev/char_test，在/sys/class目录下还会生成一个类/sys/class/lll_class