linux字符设备驱动--基本知识介绍

Posted 2021-01-26

一、设备驱动的分类

1.字符设备

字符设备是指那些能一个字节一个字节读取数据的设备，如LED灯、键盘、鼠标等。字符设备一般需要在驱动层实现open()、close()、read()、write()、ioctl()等函数。

2.块设备

块设备与字符设备类似，一般是像磁盘一样的设备。在块设备中还可以容纳文件系统，并存储大量的信息。在linux系统中，进行块设备读写时，每次只能传输一个或者多个块。linux也可以让应用程序像访问字符设备一样访问块设备，一次只读取一个字节。

3.网络设备

网络设备主要负责主机之间的数据交换，与字符设备和块设备完全不同，网络设备主要是面向数据包的接收和发送而设计的。网络设备没有实现类似块设备和字符设备的read()、write()、ioctl()等函数，但是实现了一种套接字接口，任何网络数据传输都可以通过套接字来完成。

二、基础知识介绍

1.直接将模块编译进内核(主要修改两个文件：Kconfig Makefile)

1.1将编写好的模块程序复制到内核代码中(一般根据驱动内容来选择合适的路径)

1.2进入到该路径,打开Kconfig文件：vi Kconfig

说明：Kconfig文件描述了所属目录源文件相关的内核配置菜单

1.3添加：config HELLO_WORLD

　bool "helloworld"

则在menuconfig菜单中出现新的目录:helloworld

1.4修改该目录下的Makefile文件：obj -$(CONFIG_HELLO_WORLD) += hello.o

1.5编译内核

三、字符设备驱动程序设计

1.概念介绍

1.1主次设备号

主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序；次设备号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备。

linux内核中通过dev_t类型描述主次设备号，dev_t其实质为unsigned int 32位整数，高12位为主设备号，低20位为次设备号。通过宏MAJOR(dev_t dev)获得主设备号，MINOR(dev_t dev)获得次设备号。

1.2分配主设备号

静态申请：确定一个系统没有使用的设备号，使用register_chrdev_region函数注册。但是该方式在驱动较多的情况下，很容易导致设备号冲突，而使驱动程序无法注册。

动态分配：通过linux内核自动分配一个未使用的主设备号。使用alloc_chrdev_region()分配设备号。但是该方式无法在安装驱动前创建设备文件，因为安装前驱动程序还没有分配到主设备号。

1.3创建设备文件

使用mknod命令手动创建

mknod用法：mknod filename type major minor

filename:设备文件名

type:设备文件类型(字符设备：c 块设备：b)

major:主设备号

minor:次设备号

自动创建：

2.重要结构

2.1 struct file

代表一个打开的文件，系统中每个打开的文件在内核空间都有一个关联的struct file，它是由内核在打开文件时创建，在文件关闭时释放。

重要成员：loff_t f_pos /*文件读写位置*/

struct file_operations *f_op

2.2 struct inode

用来记录文件的物理上的信息，因此它和代表打开文件的file结构是不同的，一个文件可以对应多个file结构，但只有一个inode结构。

重要成员：dev_t i_rdev:设备号

2.3 struct file_operations

一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作。结构中的成员指向驱动中的函数，这些函数实现一个特别的操作，对于不支持的操作保留为NULL。

3.应用程序访问驱动程序

当应用程序使用read函数时，传入要操作的文件file，系统会调用vfs_read函数，根据file去内核中查找相应的file_operations中指定的read函数，vfs_read函数(在read_write.c中)代码如下：

 1 ssize_t vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
 2 {
 3     ssize_t ret;
 4 
 5     if (!(file->f_mode & FMODE_READ))
 6         return -EBADF;
 7     if (!file->f_op || (!file->f_op->read && !file->f_op->aio_read))
 8         return -EINVAL;
 9     if (unlikely(!access_ok(VERIFY_WRITE, buf, count)))
10         return -EFAULT;
11 
12     ret = rw_verify_area(READ, file, pos, count);
13     if (ret >= 0) {
14         count = ret;
15         if (file->f_op->read)
16             ret = file->f_op->read(file, buf, count, pos);
17         else
18             ret = do_sync_read(file, buf, count, pos);
19         if (ret > 0) {
20             fsnotify_access(file);
21             add_rchar(current, ret);
22         }
23         inc_syscr(current);
24     }
25 
26     return ret;
27 }

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4.设备注册

在linux2.6的内核中，字符设备使用struct cdev来描述。

字符设备的注册过程可分为三步：1.分配cdev;2.初始化cdev;3.添加cdev;

四、函数解析

1.分配主设备号相关函数

int register_chrdev_region(dev_t from,unsigned count,coust char *name)

功能说明：申请使用从from开始的count个设备号(主设备号不变，次设备号增加)

参数：from:希望申请使用的设备号

　　　count:希望申请使用的设备号数目

　　　name:设备号(体现在/proc/devices)

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned baseminor,unsigned count,const char *name)

功能说明：请求内核动态分配count个设备号，且次设备号从baseminor开始。

参数：dev:分配完返回的设备号

　　　baseminor:起始次设备号

　　　count:需要分配的设备号数目

　　　name:设备名(体现在/proc/devices)

void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count)

功能说明：释放从from开始的count个设备号

参数：from:需要释放的设备号

　　　count:希望释放的设备号数目

2.设备注册相关函数

struct cdev *cdev_alloc(void)

功能说明：分配cdev

返回值：分配的cdev指针

void cdev_init(struct cdev *cdev,const struct file_operations *fops)

功能说明：初始化字符设备

参数：cdev:待初始化的cdev结构

　　　fops:设备对应的操作函数集

int cdev_add(struct cdev *p,dev_t dev,unsigned count)

功能说明：添加字符设备

参数：p:待添加到内核的字符设备结构

　　　dev:设备号

　　　count:添加的设备个数

int cdev_del(struct cdev *p)

功能说明：设备注销

参数：p:要注销的字符设备结构

3.设备操作函数

int (*open)(struct inode *,struct file *)

功能说明：在设备文件上的第一个操作，并不要求驱动程序一定要实现这个方法。如果该项为NULL,设备的打开操作永远成功。系统中通过fs/open.c中的do_sys_open函数实现。

void (*release)(struct inode *,struct file *)

功能说明：当设备文件被关闭时调用这个操作，与open相同，release也可以没有。

ssize_t (*read)(struct file *,char __user *,size_t,loff_t *)

功能说明：从设备中读取数据。

 

ssize_t (*write)(struct file *,const char __user *,size_t,loff_t *)

 

功能说明：向设备发送数据。

unsigned int (*poll)(struct file *,struct poll_table_struct *)

功能说明：对应select系统调用。

int (*ioctl)(struct inode *,struct file *,unsigned int,unsigned long)

功能说明：控制设备。

int (*mmap)(struct file *,struct vm_area_struct *)

功能说明：将设备映射到进程虚拟地址空间中。

off_t (*Ilseek)(struct file *,loff_t,int)

功能说明：修改文件的当前读写位置，并将新位置作为返回值。