Linux驅(qū)動實踐：一步一步編寫字符設(shè)備驅(qū)動程序
作 ?者：道哥，10+年嵌入式開發(fā)老兵，專注于：C/C++、嵌入式、Linux。
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目錄
API 函數(shù)
編寫驅(qū)動程序
編寫應(yīng)用程序
卸載驅(qū)動模塊
小結(jié)
別人的經(jīng)驗，我們的階梯！
大家好，我是道哥，今天我們繼續(xù)討論： Linux 中字符設(shè)備的驅(qū)動程序。
在上一篇文章中Linux驅(qū)動實踐：你知道【字符設(shè)備驅(qū)動程序】的兩種寫法嗎？我們說過：字符設(shè)備的驅(qū)動程序，有兩套不同的API函數(shù)，并且在文中詳細(xì)演示了利用舊的API函數(shù)來編寫驅(qū)動程序。
這篇文章，我們繼續(xù)這個話題，實際演示一下：字符設(shè)備驅(qū)動程序的另一套API函數(shù)的使用方法。
API 函數(shù)
這里主要關(guān)注下面這 3 個函數(shù)：
// 靜態(tài)注冊設(shè)備
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
// 動態(tài)注冊設(shè)備
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name);
// 卸載設(shè)備
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
關(guān)于靜態(tài)和動態(tài)注冊，主要的區(qū)別就在于：主設(shè)備號由誰來主導(dǎo)分配！
靜態(tài)注冊：由我們的驅(qū)動程序來指定主設(shè)備號，即參數(shù)1：from;
動態(tài)注冊：由操作系統(tǒng)來分配，驅(qū)動程序提供一個變量來接收該設(shè)備號，即參數(shù)1: dev 指針;
另外，在Linux 2.6后期的內(nèi)核版本中，引入了 cdev 結(jié)構(gòu)來描述一個字符設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)體成員是：
struct cdev {
struct kobject kobj; // 內(nèi)嵌的kobject對象
struct module *owner; // 所屬模塊
const struct file_operations *ops;//文件操作結(jié)構(gòu)體
struct list_head list; // 鏈表句柄
dev_t dev; // 設(shè)備號
unsigned int count;
};
與這個結(jié)構(gòu)體相關(guān)的處理函數(shù)有：
void cdev_init(struct cdev *,struct file_operations *);
初始化 cdev 的成員，主要是設(shè)置 file_operations。
strcut cdev *cdev_alloc(void);
動態(tài)申請 cdev 內(nèi)存。
void cdev_put(strcut cdev *p);
與 count 計數(shù)相關(guān)的操作。
int cdev_add(struct cdev *,dev_t ,unsigned );
向系統(tǒng)中添加一個 cdev，注冊字符設(shè)備，需要在驅(qū)動被加載的時候調(diào)用。
void cdev_del(struct cdev *);
從系統(tǒng)中刪除一個 cdev，注銷字符設(shè)備，需要在驅(qū)動被卸載的時候調(diào)用。
后面在代碼演示的時候，可以看到cdev結(jié)構(gòu)是如何被使用的。
編寫驅(qū)動
按照慣例，我們?nèi)匀话凑詹襟E，來討論如何利用上述的APIs，來手寫一個字符設(shè)備的驅(qū)動程序。
以下所有操作的工作目錄，都是與上一篇文章相同的，即：
~/tmp/linux-4.15/drivers/。
創(chuàng)建驅(qū)動目錄和驅(qū)動程序
$ cd linux-4.15/drivers/
$ mkdir my_driver2
$ cd my_driver2
$ touch driver2.c
driver2.c 文件的內(nèi)容如下(不需要手敲，文末有代碼下載鏈接)：
#include
#include
#include
#include
#include
static struct cdev my_cdev;
static dev_t dev_no;
int driver2_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
printk("driver2_open is called. \n");
return 0;
}
ssize_t driver2_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
printk("driver2_read is called. \n");
return 0;
}
ssize_t driver2_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
printk("driver2_write is called. \n");
return 0;
}
static const struct file_operations driver2_ops={
.owner = THIS_MODULE,
.open = driver2_open,
.read = driver2_read,
.write = driver2_write,
};
static int __init driver2_init(void)
{
printk("driver2_init is called. \n");
// 初始化cdev結(jié)構(gòu)
cdev_init(&my_cdev, &driver2_ops);
// 注冊字符設(shè)備
alloc_chrdev_region(&dev_no, 0, 2, "driver2");
cdev_add(&my_cdev, dev_no, 2);
return 0;
}
static void __exit driver2_exit(void)
{
printk("driver2_exit is called. \n");
// 注銷設(shè)備
cdev_del(&my_cdev);
// 注銷設(shè)備號
unregister_chrdev_region(dev_no, 2);
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(driver2_init);
module_exit(driver2_exit);
這里看一下加載驅(qū)動模塊時調(diào)用的 driver2_init( ) 函數(shù)，其中的 cdev_init 用來把cdev結(jié)構(gòu)體與 file_operations 發(fā)生關(guān)聯(lián)。
在調(diào)用 alloc_chrdev_region( ) 時，操作系統(tǒng)分配了主設(shè)備號，并且保存在 dev_no 變量中，然后 cdev_add() 再把設(shè)備號與cdev結(jié)構(gòu)體進(jìn)行關(guān)聯(lián)。
創(chuàng)建 Makefile 文件
$ touch Makefile
內(nèi)容如下：
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m := driver2.o
else
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)
default:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean
endif
編譯驅(qū)動模塊
$ make
得到驅(qū)動程序： driver2.ko 。
加載驅(qū)動模塊
在加載驅(qū)動模塊之前，先來檢查一下系統(tǒng)中，幾個與驅(qū)動設(shè)備相關(guān)的地方。
先看一下 /dev 目錄下，目前還沒有我們的設(shè)備節(jié)點(diǎn)( /dev/driver2 )。
$ ll /dev/driver2
ls: cannot access '/dev/driver2': No such file or directory
再來查看一下 /proc/devices 目錄下，也沒有 driver2 設(shè)備的設(shè)備號。
$ cat /proc/devices
/proc/devices 文件: 列出字符和塊設(shè)備的主設(shè)備號，以及分配到這些設(shè)備號的設(shè)備名稱。
為了方便查看打印信息，把dmesg輸出信息清理一下：
$ sudo dmesg -c
執(zhí)行如下指令，加載驅(qū)動模塊:
$ sudo insmod driver2.ko
當(dāng)驅(qū)動程序被加載的時候，通過 module_init( ) 注冊的函數(shù) driver2_init() 將會被執(zhí)行，那么其中的打印信息就會輸出。
還是通過 dmesg 指令來查看驅(qū)動模塊的打印信息：
$ dmesg
此時，驅(qū)動模塊已經(jīng)被加載了!
來查看一下 /proc/devices 目錄下顯示的設(shè)備號：
$ cat /proc/devices
設(shè)備已經(jīng)注冊了，主設(shè)備號是: 244 。
但是，此時在/dev目錄下，還沒有我們需要的設(shè)備節(jié)點(diǎn)。
在上一篇文章中介紹過，還可以利用 Linux 用戶態(tài)的 udev 服務(wù)來自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)。
現(xiàn)在，我們手動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)：
$ sudo mknod -m 660 /dev/driver2 c 244 0
主設(shè)備號 244 是從 /proc/devices 查到的。
檢查一下是否創(chuàng)建成功：
$ ll /dev/driver2
現(xiàn)在，設(shè)備的驅(qū)動程序已經(jīng)加載了，設(shè)備節(jié)點(diǎn)也被創(chuàng)建好了，應(yīng)用程序就可以來操作(讀、寫)這個設(shè)備了。
應(yīng)用程序
應(yīng)用程序仍然放在 ~/tmp/App/ 目錄下。
$ mkdir ~/tmp/App/app_driver2
$ cd ~/tmp/App/app_driver2
$ touch app_driver2.c
文件內(nèi)容如下：
#include
#include
#include
int main(void)
{
int ret;
int read_data[4] = { 0 };
int write_data[4] = {1, 2, 3, 4};
int fd = open("/dev/driver2", O_RDWR);
if (-1 != fd)
{
ret = read(fd, read_data, 4);
printf("read ret = %d \n", ret);
ret = write(fd, write_data, 4);
printf("write ret = %d \n", ret);
}
else
{
printf("open /dev/driver2 failed! \n");
}
return 0;
}
接下來就是編譯和測試了：
$ gcc app_driver2.c -o app_driver2
$
$ sudo ./app_driver2
[sudo] password for xxx: <輸入用戶密碼>
read ret = 0
write ret = 0
從返回值來看，成功打開了設(shè)備，并且調(diào)用讀函數(shù)、寫函數(shù)都成功了！
繼續(xù)用dmesg命令查看一下：
卸載驅(qū)動模塊
卸載指令：
$ sudo rmmod driver2
此時，/proc/devices 下主設(shè)備號 244 的 driver2 已經(jīng)不存在了。
再來看一下 dmesg的打印信息：
可以看到：驅(qū)動程序中的 driver2_exit( ) 被調(diào)用執(zhí)行了！
小結(jié)
以上就是利用“新的” API 函數(shù)，來編寫字符設(shè)備的驅(qū)動程序。
代碼結(jié)構(gòu)還是非常清晰的，這得益于Linux良好的驅(qū)動程序架構(gòu)設(shè)計！這也是每一名架構(gòu)師需要學(xué)習(xí)、努力模仿的地方。
文中的測試代碼，已經(jīng)放在網(wǎng)盤了。
在公眾號【IOT物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)】后臺回復(fù)關(guān)鍵字：1120，即可獲取下載地址。
謝謝！
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