本篇簡單介紹如何寫一個簡單的字符設備驅動,實現(xiàn)一個與硬件設備無關的字符設備驅動，僅僅操作從內核中分配的一些內存。
下面就開始學習如何寫一個簡單的字符設備驅動。首先我們來分解一下字符設備驅動都有那些結構或者方法組成，也就是說實現(xiàn)一個可以使用的字符設備驅動我們必須做些什么工作。
1、主設備號和次設備號
對于字符設備的訪問是通過文件系統(tǒng)中的設備名稱進行的。他們通常位于/dev目錄下。如下：
xxx@ubuntu:~$ ls -l /dev/
total 0
brw-rw---- 1 root disk 7, 0 3月 25 10:34 loop0
brw-rw---- 1 root disk 7, 1 3月 25 10:34 loop1
brw-rw---- 1 root disk 7, 2 3月 25 10:34 loop2
crw-rw-rw- 1 root tty 5, 0 3月 25 12:48 tty
crw--w---- 1 root tty 4, 0 3月 25 10:34 tty0
crw-rw---- 1 root tty 4, 1 3月 25 10:34 tty1
crw--w---- 1 root tty 4, 10 3月 25 10:34 tty10
其中b代表塊設備，c代表字符設備。對于普通文件來說，ls -l會列出文件的長度，而對于設備文件來說，上面的7,5,4等代表的是對應設備的主設備號，而后面的0,1,2,10等則是對應設備的次設備號。那么主設備號和次設備號分別代表什么意義呢？一般情況下，可以這樣理解，主設備號標識設備對應的驅動程序，也就是說1個主設備號對應一個驅動程序。當然，現(xiàn)在也有多個驅動程序共享主設備號的情況。而次設備號有內核使用，用于確定/dev下的設備文件對應的具體設備。舉一個例子，虛擬控制臺和串口終端有驅動程序4管理，而不同的終端分別有不同的次設備號。
1.1、設備編號的表達
在內核中，dev_t用來保存設備編號，包括主設備號和次設備號。在2.6的內核版本種，dev_t是一個32位的數(shù)，其中12位用來表示主設備號，其余20位用來標識次設備號。
通過dev_t獲取主設備號和次設備號使用下面的宏：
MAJOR(dev_t dev);
MINOR(dev_t dev);
相反，通過主設備號和次設備號轉換為dev_t類型使用：
MKDEV(int major, int minor);
1.2、分配和釋放設備編號
在構建一個字符設備之前，驅動程序首先要獲得一個或者多個設備編號，這類似一個營業(yè)執(zhí)照，有了營業(yè)執(zhí)照才在內核中正常工作營業(yè)。完成此工作的函數(shù)是：
int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, const char *name);
first是要分配的設備編號范圍的起始值。count是連續(xù)設備的編號的個數(shù)。name是和該設備編號范圍關聯(lián)的設備名稱，他將出現(xiàn)在/proc/devices和sysfs中。此函數(shù)成功返回0，失敗返回負的錯誤碼。此函數(shù)是在已知主設備號的情況下使用，在未知主設備號的情況下，我們使用下面的函數(shù)：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, const char *name);
dev用于輸出申請到的設備編號，firstminor要使用的第一個此設備編號。
在不使用時需要釋放這些設備編號，已提供其他設備程序使用：
void unregister_chrdev_region(dev_t dev, unsigned int count);
此函數(shù)多在模塊的清除函數(shù)中調用。
分配到設備編號之后，我們只是拿到了營業(yè)執(zhí)照，雖說現(xiàn)在已經準備的差不多了,但是我們只是從內核中申請到了設備號,應用程序還是不能對此設備作任何事情,我們需要一個簡單的函數(shù)來把設備編號和此設備能實現(xiàn)的功能連接起來,這樣我們的模塊才能提供具體的功能.這個操作很簡單，稍后就會提到，在此之前先介紹幾個重要的數(shù)據結構。
2、重要的數(shù)據結構
注冊設備編號僅僅是完成一個字符設備驅動的第一步。下面介紹大部分驅動都會包含的三個重要的內核的數(shù)據結構。
2.1、文件操作file_operations
file_operations是第一個重要的結構，定義在 <linux/fs.h>, 是一個函數(shù)指針的集合，設備所能提供的功能大部分都由此結構提供。這些操作也是設備相關的系統(tǒng)調用的具體實現(xiàn)。此結構的具體實現(xiàn)如下所示：
struct file_operations {
//它是一個指向擁有這個結構的模塊的指針. 這個成員用來在它的操作還在被使用時阻止模塊被卸載. 幾乎所有時間中, 它被簡單初始化為 THIS_MODULE
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 (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, 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 (*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 **);
long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
loff_t len);
int (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
};
需要說明的是這里面的函數(shù)在驅動中不用全部實現(xiàn)，不支持的操作留置為NULL。
2.2、文件結構struct file
struct file, 定義于 <linux/fs.h>, 是設備驅動中第二個最重要的數(shù)據結構。文件結構代表一個打開的文件. (它不特定給設備驅動; 系統(tǒng)中每個打開的文件有一個關聯(lián)的 struct file 在內核空間). 它由內核在 open 時創(chuàng)建, 并傳遞給在文件上操作的任何函數(shù), 直到最后的關閉. 在文件的所有實例都關閉后, 內核釋放這個數(shù)據結構。file結構的詳細可參考fs.h，這里列出來幾個重要的成員。
- struct file_operations *** f_op：就是上面剛剛介紹的文件操作的集合結構。
- mode_t f_mode：文件模式確定文件是可讀的或者是可寫的(或者都是), 通過位 FMODE_READ 和 FMODE_WRITE. 你可能想在你的 open 或者 ioctl 函數(shù)中檢查這個成員的讀寫許可, 但是你不需要檢查讀寫許可, 因為內核在調用你的方法之前檢查. 當文件還沒有為那種存取而打開時讀或寫的企圖被拒絕, 驅動甚至不知道這個情況
- loff_t f_pos：當前讀寫位置. loff_t 在所有平臺都是 64 位。驅動可以讀這個值, 如果它需要知道文件中的當前位置, 但是正常地不應該改變它。
- unsigned int f_flags：這些是文件標志, 例如 O_RDONLY, O_NONBLOCK, 和 O_SYNC. 驅動應當檢查 O_NONBLOCK 標志來看是否是請求非阻塞操作。
- void *private_data：open 系統(tǒng)調用設置這個指針為 NULL, 在為驅動調用 open 方法之前. 你可自由使用這個成員或者忽略它; 你可以使用這個成員來指向分配的數(shù)據, 但是接著你必須記住在內核銷毀文件結構之前, 在 release 方法中釋放那個內存. private_data 是一個有用的資源, 在系統(tǒng)調用間保留狀態(tài)信息, 我們大部分例子模塊都使用它
2.3、inode 結構
inode 結構由內核在內部用來表示文件. 因此, 它和代表打開文件描述符的文件結構是不同的. 可能有代表單個文件的多個打開描述符的許多文件結構, 但是它們都指向一個單個 inode 結構。
inode 結構包含大量關于文件的信息。但對于驅動程序編寫來說一般不用關心，暫且不說。
3、字符設備的注冊
內核在內部使用類型 struct cdev 的結構來代表字符設備. 在內核調用你的設備操作前, 你編寫分配并注冊一個或幾個這些結構。有 2 種方法來分配和初始化一個這些結構. 如果你想在運行時獲得一個獨立的 cdev 結構, 你可以為此使用這樣的代碼:
struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();
my_cdev->ops = &my_fops;
更多的情況是把cdv結構嵌入到你自己封裝的設備結構中，這時需要使用下面的方法來分配和初始化：
void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops);
后面的例子程序就是這么做的。一旦 cdev 結構建立, 最后的步驟是把它告訴內核：
int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count)
這里, dev 是 cdev 結構, num 是這個設備響應的第一個設備號, count 是應當關聯(lián)到設備的設備號的數(shù)目. 常常 count 是 1。
從系統(tǒng)去除一個字符設備, 調用:
void cdev_del(struct cdev *dev);
4、一個簡單的字符設備
上面大致介紹了實現(xiàn)一個字符設備所要做的工作，下面就來一個真實的例子來總結上面介紹的內容。源碼中的關鍵地方已經作了注釋。
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/timer.h>
#include <asm/atomic.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/device.h>
#define CDEVDEMO_MAJOR 255 /*預設cdevdemo的主設備號*/
static int cdevdemo_major = CDEVDEMO_MAJOR;
/*設備結構體,此結構體可以封裝設備相關的一些信息等
信號量等也可以封裝在此結構中，后續(xù)的設備模塊一般都
應該封裝一個這樣的結構體，但此結構體中必須包含某些
成員，對于字符設備來說，我們必須包含struct cdev cdev*/
struct cdevdemo_dev
{
struct cdev cdev;
};
struct cdevdemo_dev *cdevdemo_devp; /*設備結構體指針*/
/*文件打開函數(shù)，上層對此設備調用open時會執(zhí)行*/
int cdevdemo_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_open ");
return 0;
}
/*文件釋放，上層對此設備調用close時會執(zhí)行*/
int cdevdemo_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_release ");
return 0;
}
/*文件的讀操作，上層對此設備調用read時會執(zhí)行*/
static ssize_t cdevdemo_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_read ");
}
/* 文件操作結構體，文中已經講過這個結構*/
static const struct file_operations cdevdemo_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = cdevdemo_open,
.release = cdevdemo_release,
.read = cdevdemo_read,
};
/*初始化并注冊cdev*/
static void cdevdemo_setup_cdev(struct cdevdemo_dev *dev, int index)
{
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_setup_cdev 1");
int err, devno = MKDEV(cdevdemo_major, index);
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_setup_cdev 2");
/*初始化一個字符設備，設備所支持的操作在cdevdemo_fops中*/
cdev_init(&dev->cdev, &cdevdemo_fops);
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_setup_cdev 3");
dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
dev->cdev.ops = &cdevdemo_fops;
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_setup_cdev 4");
err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_setup_cdev 5");
if(err)
{
printk(KERN_NOTICE "Error %d add cdevdemo %d", err, index);
}
}
int cdevdemo_init(void)
{
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_init ");
int ret;
dev_t devno = MKDEV(cdevdemo_major, 0);
struct class *cdevdemo_class;
/*申請設備號，如果申請失敗采用動態(tài)申請方式*/
if(cdevdemo_major)
{
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_init 1");
ret = register_chrdev_region(devno, 1, "cdevdemo");
}else
{
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_init 2");
ret = alloc_chrdev_region(&devno,0,1,"cdevdemo");
cdevdemo_major = MAJOR(devno);
}
if(ret < 0)
{
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_init 3");
return ret;
}
/*動態(tài)申請設備結構體內存*/
cdevdemo_devp = kmalloc(sizeof(struct cdevdemo_dev), GFP_KERNEL);
if(!cdevdemo_devp) /*申請失敗*/
{
ret = -ENOMEM;
printk(KERN_NOTICE "Error add cdevdemo");
goto fail_malloc;
}
memset(cdevdemo_devp,0,sizeof(struct cdevdemo_dev));
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_init 3");
cdevdemo_setup_cdev(cdevdemo_devp, 0);
/*下面兩行是創(chuàng)建了一個總線類型，會在/sys/class下生成cdevdemo目錄
這里的還有一個主要作用是執(zhí)行device_create后會在/dev/下自動生成
cdevdemo設備節(jié)點。而如果不調用此函數(shù)，如果想通過設備節(jié)點訪問設備
需要手動mknod來創(chuàng)建設備節(jié)點后再訪問。*/
cdevdemo_class = class_create(THIS_MODULE, "cdevdemo");
device_create(cdevdemo_class, NULL, MKDEV(cdevdemo_major, 0), NULL, "cdevdemo");
printk(KERN_NOTICE "======== cdevdemo_init 4");
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno,1);
}
void cdevdemo_exit(void) /*模塊卸載*/
{
printk(KERN_NOTICE "End cdevdemo");
cdev_del(&cdevdemo_devp->cdev); /*注銷cdev*/
kfree(cdevdemo_devp); /*釋放設備結構體內存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(cdevdemo_major,0),1); //釋放設備號
}
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
module_param(cdevdemo_major, int, S_IRUGO);
module_init(cdevdemo_init);
module_exit(cdevdemo_exit);
Makefile文件如下：
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m := cdevdemo.o
else
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)
default:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
endif
clean:
rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.mod.c .tmp_versions modules.order Module.symvers
溫馨提示：測試環(huán)境為Linux ubuntu 3.16.0-33-generic。
