Linux 驅動實踐：你知道【字符設備驅動程序】的兩種寫法嗎？

作  者：道哥，10 + 年嵌入式開發老兵，專注於：C/C++、嵌入式、Linux。

別人的經驗，我們的階梯！

大家好，我是道哥，今天我爲大夥兒解說的技術知識點是：【字符設備的驅動程序】。

在上一篇文章中，討論的是Linux系統中，驅動模塊的兩種編譯方式。

我們就繼續以此爲基礎，用保姆級的粒度一步一步操作，來討論一下字符設備驅動程序的編寫方法。

混亂的 API 函數

我在剛開始接觸Linux驅動的時候，非常的困擾：註冊一個字符設備，怎麼有這麼多的 API 函數啊？

參考的每一篇文章中，使用的函數都不一樣，但是執行結果都是符合預期的！

比如下面這幾個：

  1. register_chrdev(...);

  2. register_chrdev_regin(...);

  3. cdev_add(...);

它們的功能都是向系統註冊字符設備，但是隻從函數名上看，初學者誰能分得清它們的區別？！

這也難怪，Linux系統經過這麼多年的發展，代碼更新是很正常的事情。

但是，我們參考的文章就沒法做到：很詳細的把文章中所描述內容的背景介紹清楚，往往都是文章作者在自己的實際工作環境中，測試某種方法解決了自己的問題，於是就記錄成文。

不同的文章、不同的工作上下文、不同的API函數調用，這往往就苦了我們初學者，特別是我這種有選擇障礙症的人！

其實，上面這個幾個函數都是正確的，它們的功能都是類似的，它們是 Linux 系統中不同階段的產物。

舊的 API 函數

在Linux內核代碼2.4版本和早期的2.6版本中，註冊、卸載字符設備驅動程序的經典方式是：

註冊設備：

int register_chrdev(unsigned int major,const char *name,struct file_operations *fops);

參數 1 major：如果爲 0 - 由操作系統動態分配一個主設備號給這個設備；如果非 0 - 驅動程序向系統申請，使用這個主設備號；

參數 2 name：設備名稱；

參數 3 fops：file_operations 類型的指針變量，用於操作設備；

如果是動態分配，那麼這個函數的返回值就是：操作系統動態分配給這個設備的主設備號。

這個動態分配的設備號，我們要把它記住，因爲在其他的API函數中需要使用它。

卸載設備：

int unregister_chrdev(unsigned int major,const char *name)

參數 1 major：設備的主設備號，也就是 register_chrdev() 函數的返回值 (動態)，或者驅動程序指定的設備號 (靜態方式);

參數 2 name：設備名稱；

新的 API 函數

註冊設備：

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

也就是說：

register_chrdev_region(): 靜態註冊設備;

alloc_chrdev_region(): 動態註冊設備;

這兩個函數的參數含義是：

register_chrdev_region 參數：

參數 1 from: 註冊指定的設備號，這是靜態指定的，例如：MKDEV(200, 0) 表示起始主設備號 200, 起始次設備號爲 0;

參數 2 count: 驅動程序指定連續註冊的次設備號的個數，例如：起始次設備號是 0，count 爲 10，表示驅動程序將會使用 0 ~ 9 這 10 個次設備號;

參數 3 name：設備名稱;

alloc_chrdev_region 參數：

參數 1 dev: 動態註冊就是系統來分配設備號，那麼驅動程序就要提供一個指針變量來接收系統分配的結果 (設備號);

參數 2 baseminor: 驅動程序指定此設備號的起始值;

參數 3 count: 驅動程序指定連續註冊的次設備號的個數，例如：起始次設備號是 0，count 爲 10，表示驅動程序將會使用 0 ~ 9 這 10 個次設備號;

參數 4 name：設備名稱;

補充一下關於設備號的內容：

這裏的結構體 dev_t，用來保存設備號，包括主設備號和次設備號。

它本質上是一個 32 位的數，其中的 12 位用來表示主設備號，而其餘 20 位用來表示次設備號。

系統中定義了3宏，來實現dev_t變量、主設備號、次設備號之間的轉換：

MAJOR(dev_t dev): 從  dev_t 類型中獲取主設備號;

MINOR(dev_t dev):  從 dev_t 類型中獲取次設備號;

MKDEV(int major,int minor): 把主設備號和次設備號轉換爲 dev_t 類型;

卸載設備：

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);

參數 1 from: 註銷的設備號;

參數 2 count: 註銷的連續次設備號的個數;

代碼實操

下面，我們就用舊的API函數，一步一步的描述字符設備驅動程序的：編寫、加載和卸載過程。

如何使用新的API函數來編寫字符設備驅動程序，下一篇文章再詳細討論。

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/。

創建驅動目錄和驅動程序

$ cd linux-4.15/drivers/
$ mkdir my_driver1
$ cd my_driver1
$ touch driver1.c

driver1.c 文件的內容如下 (不需要手敲，文末有代碼下載鏈接)：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/device.h>

static unsigned int major;

int driver1_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
	printk("driver1_open is called. \n");
	return 0;
}

ssize_t driver1_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
	printk("driver1_read is called. \n");
	return 0;
}

ssize_t driver1_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
	printk("driver1_write is called. \n");
	return 0;
}
 
static const struct file_operations driver1_ops={
	.owner = THIS_MODULE,
	.open  = driver1_open,
	.read  = driver1_read,
	.write = driver1_write,
};

static int __init driver1_init(void)
{
	printk("driver1_init is called. \n");

	major = register_chrdev(0, "driver1", &driver1_ops);
	printk("register_chrdev. major = %d\n",major);
	return 0;
}
 
static void __exit driver1_exit(void)
{
	printk("driver1_exit is called. \n");
	unregister_chrdev(major,"driver1");
}
 
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(driver1_init);
module_exit(driver1_exit);

創建 Makefile 文件

$ touch Makefile

內容如下：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
	obj-m := driver1.o
else
	KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
	PWD := $(shell pwd)
default:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
clean:
	$(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean
endif

編譯驅動模塊

$ make

得到驅動程序： driver1.ko 。

加載驅動模塊

在加載驅動模塊之前，先來看一下系統中，幾個與驅動設備相關的地方。

先看一下 /dev 目錄下，目前還沒有我們的設備節點 ( /dev/driver1 )。

再來查看一下 /proc/devices 目錄下，也沒有 driver1 設備的設備號。

cat /proc/devices  | grep driver1

/proc/devices 文件: 列出字符和塊設備的主設備號，以及分配到這些設備號的設備名稱。

執行如下指令，加載驅動各模塊:

$ sudo insmod driver1.ko

通過上一篇文章我們知道，當驅動程序被加載的時候，通過 module_init(driver1_init); 註冊的函數 driver1_init() 將會被執行，那麼其中的打印信息就會輸出。

還是通過 dmesg 指令來查看驅動模塊的打印信息：

$ dmesg

如果輸入信息太多，可以使用dmesg | tail指令;

此時，驅動模塊已經被加載了!

來查看一下 /proc/devices 目錄下顯示的設備號：

可以看到 driver1 已經掛載好了，並且它的主設備號是244。

此時，雖然已經向系統註冊了這個設備，並且主設備號已經分配了，但是，在/dev目錄下，還不存在這個設備的節點，需要我們手動創建：

sudo mknod -m 660 /dev/driver1 c 244 0

檢查一下設備節點是否創建成功：

$ ls -l /dev

關於設備節點，Linux 的應用層有一個 udev 服務，可以自動創建設備節點;

也就是：當驅動模塊被加載的時候，自動在 /dev 目錄下創建設備節點。當然了，我們需要在驅動程序中，提前告訴 udev 如何去創建;

下面會介紹：如何自動創建設備節點。

現在，設備的驅動程序已經加載了，設備節點也被創建好了，應用程序就可以來操作 (讀、寫) 這個設備了。

應用程序

我們把所有的應用程序，放在 ~/tmp/App/ 目錄下。

$ cd ~/tmp
$ mkdir -p App/app_driver1
$ touch app_driver1.c

app_driver1.c 文件的內容如下：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>


int main(void)
{
	int ret;
	int read_data[4] = { 0 };
	int write_data[4] = {1, 2, 3, 4};
	int fd = open("/dev/driver1", 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/driver1 failed! \n");
	}

	return 0;
}

這裏演示的僅僅是通過打印信息來體現函數的調用，並沒有實際的讀取數據和寫入數據。

因爲，讀寫數據又涉及到複雜的用戶空間和內核空間的數據拷貝問題。

應用程序準備妥當，接下來就是編譯和測試了：

$ gcc app_driver1.c -o app_driver1
$ sudo ./app_driver1

應用程序的輸出信息如下：

app_driver1$ sudo ./app_driver1 
[sudo] password for xxxx: <輸入用戶密碼>
read ret = 0 
write ret = 0

從返回值來看，成功打開了設備，並且調用讀函數、寫函數都成功了！

根據Linux系統的驅動框架，應用層的 open、read、write 函數被調用的時候，驅動程序中對應的函數就會被執行：

static const struct file_operations driver1_ops={
	.owner = THIS_MODULE,
	.open  = driver1_open,
	.read  = driver1_read,
	.write = driver1_write,
};

我們已經在驅動程序的這三個函數中打印了信息，繼續用dmesg命令查看一下：

卸載驅動模塊

卸載指令：

$ sudo rmmod driver1

繼續用dmesg指令來查看驅動程序中的打印信息：

說明驅動程序中的 driver1_exit() 函數被調用了。

此時，我們來看一下 /proc/devices 目錄下變化：

可以看到：剛纔設備號爲244的 driver1 已經被系統卸載了！因爲驅動程序中的 unregister_chrdev(major,"driver1"); 函數被執行了。

但是，由於 /dev 目錄下的設備節點 driver1 ，是剛纔手動創建的，因此需要我們手動刪除。

$ sudo rm /dev/driver1

小結

以上，就是字符設備的最簡單驅動程序！

從編寫過程可以看出：Linux系統已經設計好了一套驅動程序的框架。

我們只需要按照它要求，按部就班地把每一個函數或者是結構體，註冊到系統中就可以了。

自動在 /dev 目錄下創建設備節點

在上面的操作過程中，設備節點 /dev/driver1 是手動創建的。

Linux 系統的應用層提供了 udev 這個服務，可以幫助我們自動創建設備節點。我們現在就來把這個功能補上。

修改驅動程序

爲了方便比較，添加的代碼全部用宏定義 UDEV_ENABLE 控制起來。

driver1.c代碼中，有 3 處變化：

  1. 定義 2 個全局變量
#ifdef UDEV_ENABLE
static struct class  *driver1_class;
static struct device *driver1_dev;
#endif
  1. driver1_init() 函數
static int __init driver1_init(void)
{
	printk("driver1_init is called. \n");

	major = register_chrdev(0, "driver1", &driver1_ops);
	printk("register_chrdev. major = %d\n",major);

#ifdef UDEV_ENABLE
	driver1_class = class_create(THIS_MODULE, "driver1");
	driver1_dev = device_create(driver1_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "driver1");
#endif

	return 0;
}
  1. driver1_exit() 函數
static void __exit driver1_exit(void)
{
	printk("driver1_exit is called. \n");
#ifdef UDEV_ENABLE
	class_destroy(driver1_class);
#endif
	unregister_chrdev(major,"driver1");
}

代碼修改之後 (也可以直接下載我放在網盤裏的源代碼)，重新編譯驅動模塊：

$ make

生成driver1.ko驅動模塊，然後加載它：

先確定一下：/proc/devices，/dev 目錄下，已經沒有剛纔測試的設備了;

爲了便於查看驅動程序中的打印信息，最好把 dmesg 輸出的打印信息清理一下 (指令：sudo dmesg -c);

$ sudo insmod driver1.ko

按照剛纔的操作流程，我們需要來驗證3個信息：

(1) 看一下驅動程序的打印信息 (指令：dmesg):

(2) 看一下 /proc/devices 下的設備註冊情況：

(3) 看一下 /dev 下，是否自動創建了設備節點：

通過以上3張圖片，可以得到結論：驅動程序正確加載了，設備節點被自動創建了！

下面，就應該是應用程序登場測試了，代碼不用修改，直接執行即可：

$ sudo ./app_driver1 
[sudo] password for xxx: <輸入用戶密碼>
read ret = 0 
write ret = 0

應用層的函數返回值正確！

再看一下 dmesg 的輸出信息：

完美！

代碼下載

文中的所有代碼，已經放在網盤中了。

在公衆號【IOT 物聯網小鎮】後臺回覆關鍵字：1115，獲取下列文件的網盤地址。

本文由 Readfog 進行 AMP 轉碼，版權歸原作者所有。
來源：https://mp.weixin.qq.com/s/EHyKc8RFdXq9n4mXiZX15g

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