第四季-专题10-字符设备驱动模型

专题10-字符设备驱动模型

第1课-使用字符驱动程序

1. 编译/安装驱动

在Linux系统中，驱动程序通常采用内核模块的程序结构来进行编码。因此，编译/安装一个驱动程序，其实质就是编译/安装一个内核模块。

例子：字符设备驱动程序

编写makefile文件：

       obj-m := memdev.o

KDIR := /home/S5-driver/lesson7/linux-tiny6410/

all:

    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules CROSS_COMPILE=arm-linux- ARCH=arm

clean:

    rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers *.bak *.order

编写memdev.c文件：

    #include <linux/module.h>

#include <linux/fs.h>

#include <linux/init.h>

#include <linux/cdev.h>

#include <asm/uaccess.h>

int dev1_registers[5];

int dev2_registers[5];

struct cdev cdev;

dev_t devno;

/*文件打开函数*/

int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)

{

   

    /*获取次设备号*/

    int num = MINOR(inode->i_rdev);

   

    if (num==0)

        filp->private_data = dev1_registers;

    else if(num == 1)

        filp->private_data = dev2_registers;

    else

        return -ENODEV;  //无效的次设备号

   

    return 0;

}

/*文件释放函数*/

int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)

{

  return 0;

}

/*读函数*/

static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)

{

  unsigned long p =  *ppos;

  unsigned int count = size;

  int ret = 0;

  int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器基地址*/

  /*判断读位置是否有效*/

  if (p >= 5*sizeof(int))

    return 0;

  if (count > 5*sizeof(int) - p)

    count = 5*sizeof(int) - p;

  /*读数据到用户空间*/

  if (copy_to_user(buf, register_addr+p, count))

  {

    ret = -EFAULT;

  }

  else

  {

    *ppos += count;

    ret = count;

  }

  return ret;

}

/*写函数*/

static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)

{

  unsigned long p =  *ppos;

  unsigned int count = size;

  int ret = 0;

  int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器地址*/

  /*分析和获取有效的写长度*/

  if (p >= 5*sizeof(int))

    return 0;

  if (count > 5*sizeof(int) - p)

    count = 5*sizeof(int) - p;

   

  /*从用户空间写入数据*/

  if (copy_from_user(register_addr + p, buf, count))

    ret = -EFAULT;

  else

  {

    *ppos += count;

    ret = count;

  }

  return ret;

}

/* seek文件定位函数 */

static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)

{

    loff_t newpos;

    switch(whence) {

      case SEEK_SET:

        newpos = offset;

        break;

      case SEEK_CUR:

        newpos = filp->f_pos + offset;

        break;

      case SEEK_END:

        newpos = 5*sizeof(int)-1 + offset;

        break;

      default:

        return -EINVAL;

    }

    if ((newpos<0) || (newpos>5*sizeof(int)))

    return -EINVAL;

   

    filp->f_pos = newpos;

    return newpos;

}

/*文件操作结构体*/

static const struct file_operations mem_fops =

{

  .llseek = mem_llseek,

  .read = mem_read,

  .write = mem_write,

  .open = mem_open,

  .release = mem_release,

};

/*设备驱动模块加载函数*/

static int memdev_init(void)

{

  /*初始化cdev结构*/

  cdev_init(&cdev, &mem_fops);

  /* 注册字符设备 */

  alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");

  cdev_add(&cdev, devno, 2);

}

/*模块卸载函数*/

static void memdev_exit(void)

{

  cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/

  unregister_chrdev_region(devno, 2); /*释放设备号*/

}

MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(memdev_init);

module_exit(memdev_exit);

    编译文件，我们就会得到memdev.ko文件，这就是我们编写的驱动模块。

1. 字符设备文件

通过字符设备文件，应用程序可以使用相应的字符设备驱动程序来控制字符设备。创建字符设备文件的方法一般有两种：

[应用程序]传递文件名给[字符设备文件]传递主设备号给[设备驱动程序]。

（1）    使用mknod命令

mknod /dev/文件名 c 主设备号 次设备号

（2）    使用函数在驱动程序中创建

例子：创建字符设备文件

write-men.c

#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

int main()

{

  int fd = 0;

  int src = 2013;

  /*打开设备文件*/

  fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);

  /*写入数据*/

  write(fd, &src, sizeof(int));

  /*关闭设备*/

  close(fd);

  return 0;   

}

read-men.c

#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

int main()

{

  int fd = 0;

  int dst = 0;

  /*打开设备文件*/

  fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);

  /*写入数据*/

  read(fd, &dst, sizeof(int));

  printf("dst is %d ",dst);

  /*关闭设备*/

  close(fd);

  return 0;   

}

第2课-字符设备驱动模型

1. 设备描述结构cdev

       在Linux系统中，设备的类型非常繁多，如：字符设备，块设备，网络接口设备，USB设备，PCI设备，平台设备，混杂设备……，而设备类型不同，也意味着其对应的驱动程序模型不同，这样就导致了我们需要去掌握众多的驱动程序模型。那么能不能从这些众多的驱动模型中提炼出一些具有共性的规则，这是我们能不能学好Linux驱动的关键。

（1）设备驱动模型：

       设备驱动模型主要分为三个部分，分别是：驱动初始化，实现设备操作和驱动注销。

驱动的初始化主要包括：分配设备描述结构；初始化设备描述结构；注册设备描述结构和硬件初始化。

（2）设备描述结构

       在任何一种驱动模型中，设备都会用内核中的一种结构来描述。我们的字符设备在内核中使用struct cdev来描述。

struct cdev {

struct kobject kobj;

struct module *owner;

const struct file_operations *ops; //设备操作集

struct list_head list;

dev_t dev; //设备号

unsigned int count; //设备数

};

（3）    设备号

在命令/dev目录下可以查看设备号，逗号前面的是主设备号，后面的是次设备号。

       我们使用的字符设备驱动是依靠字符设备文件来找到的，字符设备文件与字符驱动程序是依靠主设备号建立起对应关系的。

       一个驱动程序不可能只处理一个驱动设备，比如开发板上有两个串口接口。为了区分不同的设备，它们对应的设备文件的主设备号一样但是次设备号不一样。

• 设备号-操作

Linux内核中使用dev_t类型来定义设备号，dev_t这种类型其实质为32位的unsigned int，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号。

问1：如果知道主设备号，次设备号，怎么组合成dev_t类型

答：dev_t dev = MKDEV(主设备号，次设备号)

问2: 如何从dev_t中分解出主设备号?

答: 主设备号= MAJOR(dev_t dev)

问3: 如何从dev_t中分解出次设备号？

答: 次设备号=MINOR(dev_t dev)

• 设备号-分配

静态申请

开发者自己选择一个数字作为主设备号，然后通过register_chrdev_region向内核申请使用。缺点：如果申请使用的设备号已经被内核中的其他驱动使用了，则申请失败。

动态分配

使用alloc_chrdev_region由内核分配一个可用的主设备号。

优点：因为内核知道哪些号已经被使用了，所以不会导致分配到已经被使用的号。

• 设备号-注销

不论使用何种方法分配设备号，都应该在驱动退出时，使用unregister_chrdev

_region函数释放这些设备号。

（4）    操作函数集

应用程序依靠一系列的函数（read,write,open）打开字符设备文件，字符设备文件根据映射关系表，将不同指令函数出发的程序发送给字符设备驱动。这个表就是file_operations结构。

Struct file_operations是一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作。结构中的函数指针指向驱动中的函数,这些函数实现一个针对设备的操作, 对于不支持的操作则设

置函数指针为NULL。例如：

struct file_operations dev_fops = {

.llseek = NULL,

.read = dev_read,

.write = dev_write,

.ioctl = dev_ioctl,

.open = dev_open,

.release = dev_release,

};

2． 字符设备驱动模型

（1）驱动初始化

• 分配cdev

cdev变量的定义可以采用静态和动态两种办法。

静态分配：struct cdev mdev;

动态分配：struct cdev *pdev = cdev_alloc();

• 初始化cdev

struct cdev的初始化使用cdev_init函数来完成。

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

参数：

cdev: 待初始化的cdev结构，

fops: 设备对应的操作函数集。

• 注册cdev

字符设备的注册使用cdev_add函数来完成。

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

参数：

p: 待添加到内核的字符设备结构，

dev: 设备号，

count: 该类设备的设备个数。

• 硬件初始化

根据硬件芯片手册，完成初始化。

（2）实现设备操作

       open, read, write, lseek, close，也叫做设备方法。

int (*open) (struct inode *, struct file *)：打开设备，响应open系统。

int (*release) (struct inode *, struct file *)：关闭设备，响应close系统调用。

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int)：重定位读写指针，响应lseek系统调用

ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)：从设备读取数据，响应read系统调用。

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)：向设备写入数据，响应write系统调用。

Struct file：

在Linux系统中，每一个打开的文件，在内核中都会关联一个struct file，它由内核在打开文件时创建, 在文件关闭后释放。

重要成员：

loff_t f_pos /*文件读写指针*/

struct file_operations *f_op /*该文件所对应的操作*/

Struct inode：

每一个存在于文件系统里面的文件都会关联一个inode 结构，该结构主要用来记录文件物理上的信息。因此, 它和代表打开文件的file结构是不同的。一个文件没有被打开时不会关联file结构，但是却会关联一个inode 结构。

重要成员，dev_t i_rdev：设备号

open

open设备方法是驱动程序用来为以后的操作完成初始化准备工作的。在大部分驱动程序中，open完成如下工作：标明次设备号，启动设备。

release

       release方法的作用正好与open相反。这个设备方法有时也称为close，它应该：关闭设备。

read

read设备方法通常完成2件事情：从设备中读取数据(属于硬件访问类操作)；将读取到的数据返回给应用程序。

ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)

参数分析：

filp：与字符设备文件关联的file结构指针, 由内核创建。

buff : 从设备读取到的数据，需要保存到的位置。由read系统调用提供该参数。

count: 请求传输的数据量，由read系统调用提供该参数。

offp: 文件的读写位置，由内核从file结构中取出后，传递进来。

buff参数是来源于用户空间的指针，这类指针都不能被内核代码直接引用，必须使用专门的函数。

int copy_from_user(void *to, const void __user *from, int n)

int copy_to_user(void __user *to, const void *from, int n)

write

       write设备方法通常完成2件事情：从应用程序提供的地址中取出数据；将数据写入设备(属于硬件访问类操作)

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

其参数类似于read

（3）驱动注销

当我们从内核中卸载驱动程序的时候，需要使用cdev_del函数来完成字符设备的注销。

3.  范例驱动分析

#include <linux/module.h>

#include <linux/types.h>

#include <linux/fs.h>

#include <linux/errno.h>

#include <linux/init.h>

#include <linux/cdev.h>

#include <asm/uaccess.h>

#include <linux/slab.h>

int dev1_registers[5];

int dev2_registers[5];

struct cdev cdev;

dev_t devno;

/*文件打开函数*/

int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)

{

   

    /*获取次设备号*/

    int num = MINOR(inode->i_rdev);

   

    if (num==0)

        filp->private_data = dev1_registers;

    else if(num == 1)

        filp->private_data = dev2_registers;

    else

        return -ENODEV;  //无效的次设备号

   

    return 0;

}

/*文件释放函数*/

int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)

{

  return 0;

}

/*读函数*/

static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)

{

  unsigned long p =  *ppos;

  unsigned int count = size;

  int ret = 0;

  int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器基地址*/

  /*判断读位置是否有效*/

  if (p >= 5*sizeof(int))

    return 0;

  if (count > 5*sizeof(int) - p)

    count = 5*sizeof(int) - p;

  /*读数据到用户空间*/

  if (copy_to_user(buf, register_addr+p, count))

  {

    ret = -EFAULT;

  }

  else

  {

    *ppos += count;

    ret = count;

  }

  return ret;

}

/*写函数*/

static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)

{

  unsigned long p =  *ppos;

  unsigned int count = size;

  int ret = 0;

  int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器地址*/

  /*分析和获取有效的写长度*/

  if (p >= 5*sizeof(int))

    return 0;

  if (count > 5*sizeof(int) - p)

    count = 5*sizeof(int) - p;

   

  /*从用户空间写入数据*/

  if (copy_from_user(register_addr + p, buf, count))

    ret = -EFAULT;

  else

  {

    *ppos += count;

    ret = count;

  }

  return ret;

}

/* seek文件定位函数 */

static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)

{

    loff_t newpos;

    switch(whence) {

      case SEEK_SET:

        newpos = offset;

        break;

      case SEEK_CUR:

        newpos = filp->f_pos + offset;

        break;

      case SEEK_END:

        newpos = 5*sizeof(int)-1 + offset;

        break;

      default:

        return -EINVAL;

    }

    if ((newpos<0) || (newpos>5*sizeof(int)))

    return -EINVAL;

   

    filp->f_pos = newpos;

    return newpos;

}

/*文件操作结构体*/

static const struct file_operations mem_fops =

{

  .llseek = mem_llseek,

  .read = mem_read,

  .write = mem_write,

  .open = mem_open,

  .release = mem_release,

};

/*设备驱动模块加载函数*/

static int memdev_init(void)

{

  /*初始化cdev结构*/

  cdev_init(&cdev, &mem_fops);

  /* 注册字符设备 */

  alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");

  cdev_add(&cdev, devno, 2);

}

/*模块卸载函数*/

static void memdev_exit(void)

{

  cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/

  unregister_chrdev_region(devno, 2); /*释放设备号*/

}

MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(memdev_init);

module_exit(memdev_exit);

第3课-自己动手写驱动

表写驱动程序主要依赖于上节课的框架，大纲如下：

1. 驱动初始化：

（1）    分配cdev：静态分配、动态分配

（2）    初始化cdev：cdev_int

（3）    注册cdev：cdev_add

（4）    硬件初始化

1. 实现设备操作

（1）    open

（2）    read：copy_to_user

（3）    write：copy_from_user

（4）    lseek

（5）    close

1. 驱动注销

（1）    cdev_del

（2）    unregister_chrdev_region

例子：

#include <linux/module.h>

#include <linux/types.h>

#include <linux/fs.h>

#include <linux/errno.h>

#include <linux/init.h>

#include <linux/cdev.h>

#include <asm/uaccess.h>

#include <linux/slab.h>

int dev1_registers[5];

int dev2_registers[5];

struct cdev cdev;

dev_t devno;

/*文件打开函数*/

int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)

{

   

    /*获取次设备号*/

    int num = MINOR(inode->i_rdev);

   

    if (num==0)

        filp->private_data = dev1_registers;

    else if(num == 1)

        filp->private_data = dev2_registers;

    else

        return -ENODEV;  //无效的次设备号

   

    return 0;

}

/*文件释放函数*/

int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)

{

  return 0;

}

/*读函数*/

static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)

{

  unsigned long p =  *ppos;

  unsigned int count = size;

  int ret = 0;

  int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器基地址*/

  /*判断读位置是否有效*/

  if (p >= 5*sizeof(int))

    return 0;

  if (count > 5*sizeof(int) - p)

    count = 5*sizeof(int) - p;

  /*读数据到用户空间*/

  if (copy_to_user(buf, register_addr+p, count))

  {

    ret = -EFAULT;

  }

  else

  {

    *ppos += count;

    ret = count;

  }

  return ret;

}

/*写函数*/

static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)

{

  unsigned long p =  *ppos;

  unsigned int count = size;

  int ret = 0;

  int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器地址*/

  /*分析和获取有效的写长度*/

  if (p >= 5*sizeof(int))

    return 0;

  if (count > 5*sizeof(int) - p)

    count = 5*sizeof(int) - p;

   

  /*从用户空间写入数据*/

  if (copy_from_user(register_addr + p, buf, count))

    ret = -EFAULT;

  else

  {

    *ppos += count;

    ret = count;

  }

  return ret;

}

/* seek文件定位函数 */

static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)

{

    loff_t newpos;

    switch(whence) {

      case SEEK_SET:

        newpos = offset;

        break;

      case SEEK_CUR:

        newpos = filp->f_pos + offset;

        break;

      case SEEK_END:

        newpos = 5*sizeof(int)-1 + offset;

        break;

      default:

        return -EINVAL;

    }

    if ((newpos<0) || (newpos>5*sizeof(int)))

      return -EINVAL;

     

    filp->f_pos = newpos;

    return newpos;

}

/*文件操作结构体*/

static const struct file_operations mem_fops =

{

  .owner = THIS_MODULE,

  .llseek = mem_llseek,

  .read = mem_read,

  .write = mem_write,

  .open = mem_open,

  .release = mem_release,

};

/*设备驱动模块加载函数*/

static int memdev_init(void)

{

  /*初始化cdev结构*/

  cdev_init(&cdev, &mem_fops);

  /* 注册字符设备 */

  alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");

  cdev_add(&cdev, devno, 2);

}

/*模块卸载函数*/

static void memdev_exit(void)

{

  cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/

  unregister_chrdev_region(devno, 2); /*释放设备号*/

}

MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(memdev_init);

module_exit(memdev_exit);

第4课-字符驱动访问揭秘

         因为内核的原因，应用程序才能访问驱动程序。