嵌入式Linux--linux字符设备驱动开发

野性酷女 2022-12-02 15:27 287阅读 0赞

### 目录 ###

*  一、字符设备驱动框架
 *  二、驱动模块的加载和卸载
 *   *  编写驱动的时候的注意事项
 *  三、字符设备的注册于注销
 *  四、设备号
 *  五、file\_operations的具体实现
 *  六、驱动代码工程
 *  七、Linux基本应用程序开发

# 一、字符设备驱动框架 #

字符设备驱动的编写主要就是驱动对应的open、close、read…其实就是file\_operations结构体的成员变量的实现。

应用程序运行在用户空间，而 Linux 驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。当我们在用户空间想要实现对内核的操作，比如使用 open 函数打开/dev/led 这个驱动，因为用户空间不能直接对内核进行操作，因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间“陷入”到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。open、close、write 和 read 等这些函数是由 C 库提供的，在 Linux 系统中，系统调用作为 C 库的一部分。当我们调用 open 函数的时候流程如下图：

![在这里插入图片描述][20200831231616623.png_pic_center]  
 程序员重点关注的是应用程序和具体的驱动，应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数，比如应用程序中调用了 open 这个函数，那么在驱动程序中也得有一个名为 open 的函数。每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数，在 Linux 内核文件 **include/linux/fs.h** 中有个叫做 file\_operations 的结构体，此结构体就是 Linux 内核驱动操作函数集合，内容如下：

struct file_operations { 
    	struct module *owner;
    	loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    	ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t*);
    	ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    	ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
    	ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
    	int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
    	unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct*);
    	long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    	long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
    	int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
    	int (*open) (struct inode *, struct file *);
    	int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
    	int (*release) (struct inode *, struct file *);
    	int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
    	int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
    	int (*fasync) (int, struct file *, int);
    	int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    	ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
    	unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
    	int (*check_flags)(int);
    	int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    	ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
    	ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
    	int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void**);
    	long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset, loff_t len);
    	void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
    #ifndef CONFIG_MMU
    	unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
    #endif
    };

简单介绍一下 file\_operation 结构体中比较重要的、常用的函数：

*  owner 拥有该结构体的模块的指针，一般设置为 THIS\_MODULE。
 *  llseek 函数用于修改文件当前的读写位置。
 *  read 函数用于读取设备文件。
 *  write 函数用于向设备文件写入(发送)数据。
 *  poll 是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。
 *  unlocked\_ioctl 函数提供对于设备的控制功能，与应用程序中的 ioctl 函数对应。
 *  compat\_ioctl 函数与 unlocked\_ioctl 函数功能一样，区别在于在 64 位系统上，32 位的应用程序调用将会使用此函数。在 32 位的系统上运行 32 位的应用程序调用的是unlocked\_ioctl。
 *  mmap 函数用于将将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间)，一般帧缓冲设备会使用此函数，比如 LCD 驱动的显存，将帧缓冲(LCD 显存)映射到用户空间中以后应用程序就可以直接操作显存了，这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。
 *  open 函数用于打开设备文件。
 *  release 函数用于释放(关闭)设备文件，与应用程序中的 close 函数对应。
 *  fasync 函数用于刷新待处理的数据，用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。
 *  aio\_fsync 函数与 fasync 函数的功能类似，只是 aio\_fsync 是异步刷新待处理的数据。

# 二、驱动模块的加载和卸载 #

*  第一种方法：Linux驱动程序可以直接把它编译到内核里面去，这样当Linux内核启动的时候就会自动运行驱动程序，编译到内核里面去之后驱动就包含在ZImage里面了。
 *  第二种方法：可以把Linux驱动编译成模块即：.ko结尾的文件，在Linux内核启动之后使用“insmod”命令加载驱动模块。

模块有加载和卸载两种操作，我们在编写驱动的时候需要注册这两种操作函数：

*  注册模块加载函数：module\_init(xxx\_init);
 *  注册模块卸载函数：module\_exit(xxx\_exit);

## 编写驱动的时候的注意事项 ##

*  1、编译驱动的时候需要用到Linux 内核源码，因此需要解压缩Linux内核源码，编译Linux 内核源码。得到zImage和.dtb。需要使用编译后得到的zImage和.dtb启动系统。

# 三、字符设备的注册于注销 #

*  1、我们需要向系统注册一个字符设备，使用函数register\_chrdev
 *  2、卸载驱动的时候需要注销掉前面注册的字符设备，使用函数unregister\_chrdev来注销字符设备（与register\_chrdev成对出现）

# 四、设备号 #

1.  Linux内核使用dev\_t

typedef unsigned int __u32;
    
    typedef __u32 __kernel_dev_t;
    
    typedef __kernel_dev_t dev_t;

1.  设备号分为两个部分：高12位是主设备号（0~4056），低20位是次设备号（1048576）。设备号的内核宏操作在：/include/linux/kdev\_t.h

#define MINORBITS 20
    #define MINORMASK ((1u << MINORBITS) - 1)
    
    #define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
    #define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
    #define mkdev(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

Linux下使用命令：`cat /proc/devices` 查看系统内所有设备：第一列是主设备号 ，第二列是设备名

# 五、file\_operations的具体实现 #

# 六、驱动代码工程 #

Linux下使用命令：`cat /proc/devices` 查看系统内所有设备：第一列是主设备号 ，第二列是设备名  
查看空余的主设备号:

chrdevbase.c

#include <linux/module.h>
    #include <linux/kernel.h>
    #include <linux/init.h>
    #include <linux/fs.h>
    
    #define CHRDEVBASE_MAJOR 200 // 主设备号
    #define CHRDEVBASE_NAME "chrdevbase" // 名字
    
    static int chrdevbase_open(struct inode *inode, struct file *filp)
    { 
        printk("[func] chrdevbase_open");
        return 0;
    }
    
    static int chrdevbase_release(struct inode *inode, struct file *filp)
    { 
        printk("[func] chrdevbase_release");
        return 0; 
    }
    
    static ssize_t chrdevbase_read(struct file *filp, __user char *buf, 
                                    size_t count, loff_t *ppos)
    { 
        printk("[func] chrdevbase_read");
        return 0;
    }
    
    static ssize_t chrdevbase_write(struct file *filp, __user char *buf, 
                                    size_t count, loff_t *ppos)
    { 
        printk("[func] chrdevbase_write");
        return 0;
    }
    
    // 字符设备 操作集合
    static struct file_operations chrdevbase_fops = { 
        .owner = THIS_MODULE,
        .open = chrdevbase_open,
        .release = chrdevbase_release,
        .read = chrdevbase_read,
        .write = chrdevbase_write,
    };
    
    static int __init chrdevbase_init(void)
    { 
        int ret = 0;
        printk("[func] chrdevbase_init\r\n");
    
        // 注册字符设备
        ret = register_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME, &chrdevbase_fops);
        if(ret < 0)
        { 
            printk("[error] chrdevbase_init failed!\r\n");
        }
        return 0;
    }
    
    static void __exit chrdevbase_exit(void)
    { 
         printk("[func] chrdevbase_exit\r\n");
    
        unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME);
    }
    
    
    /** * 模块入口与出口 **/
    
    module_init(chrdevbase_init); // 入口
    module_exit(chrdevbase_exit); // 出口
    
    MODULE_LICENSE("GPL");
    MODULE_AUTHOR("liefyuan");

Makefile

KERNELDIR := /home/liefyuan/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
    
    CURRENT_PATH := $(shell pwd)
    
    obj-m := chrdevbase.o
    
    build : kernel_modules
    
    kernel_modules: 
    	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
    clean: 
    	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

.vscode 文件夹–vscode头文件目录配置文件夹

setting.json

{ 
        "search.exclude": { 
            "**/node_modules": true,
            "**/bower_components": true,
            "**/*.o":true,
            "**/*.su":true, 
            "**/*.cmd":true,
            "Documentation":true,      
        },
        "files.exclude": { 
            "**/.git": true,
            "**/.svn": true,
            "**/.hg": true,
            "**/CVS": true,
            "**/.DS_Store": true,  
            "**/*.o":true,
            "**/*.su":true, 
            "**/*.cmd":true,
            "Documentation":true, 
        }
    }

c\_cpp\_properties.json

{ 
        "configurations": [
            { 
                "name": "Linux",
                "includePath": [
                    "${workspaceFolder}/**",
                    "/home/liefyuan/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek/include", 
                    "/home/liefyuan/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek/arch/arm/include", 
                    "/home/liefyuan/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek/arch/arm/include/generated/"
                ],
                "defines": [],
                "compilerPath": "/usr/bin/clang",
                "cStandard": "c11",
                "cppStandard": "c++17",
                "intelliSenseMode": "clang-x64"
            }
        ],
        "version": 4
    }

# 七、Linux基本应用程序开发 #

以上的是一个驱动工程，它最终会被编译成一个.ko文件，放到一个固定的文件夹里面。使用的时候需要编写一个应用程序–这就是传说中的**Linux应用开发**。

chrdevbaseAPP.c

[20200831231616623.png_pic_center]: /images/20221123/2d836617efe44ad1800abef54392c327.png