Linux驅動實踐：一步一步編寫字符設備驅動程序
別人的經驗，我們的階梯!
大家好，我是道哥，今天我們繼續討論： Linux 中字符設備的驅動程序。
在上一篇文章中Linux驅動實踐：你知道【字符設備驅動程序】的兩種寫法嗎?我們說過：字符設備的驅動程序，有兩套不同的API函數，并且在文中詳細演示了利用舊的API函數來編寫驅動程序。
這篇文章，我們繼續這個話題，實際演示一下：字符設備驅動程序的另一套API函數的使用方法。
API 函數
這里主要關注下面這 3 個函數：
- // 靜態注冊設備
- int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
- // 動態注冊設備
- int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name);
- // 卸載設備
- void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
關于靜態和動態注冊，主要的區別就在于：主設備號由誰來主導分配!
靜態注冊：由我們的驅動程序來指定主設備號，即參數1：from;
動態注冊：由操作系統來分配，驅動程序提供一個變量來接收該設備號，即參數1: dev 指針;
另外，在Linux 2.6后期的內核版本中，引入了 cdev 結構來描述一個字符設備，它的結構體成員是：
- struct cdev {
- struct kobject kobj; // 內嵌的kobject對象
- struct module *owner; // 所屬模塊
- const struct file_operations *ops;//文件操作結構體
- struct list_head list; // 鏈表句柄
- dev_t dev; // 設備號
- unsigned int count;
- };
與這個結構體相關的處理函數有：
- void cdev_init(struct cdev *,struct file_operations *);
- 初始化 cdev 的成員，主要是設置 file_operations。
- strcut cdev *cdev_alloc(void);
- 動態申請 cdev 內存。
- void cdev_put(strcut cdev *p);
- 與 count 計數相關的操作。
- int cdev_add(struct cdev *,dev_t ,unsigned );
- 向系統中添加一個 cdev，注冊字符設備，需要在驅動被加載的時候調用。
- void cdev_del(struct cdev *);
- 從系統中刪除一個 cdev，注銷字符設備，需要在驅動被卸載的時候調用。
- 后面在代碼演示的時候，可以看到cdev結構是如何被使用的。
編寫驅動
按照慣例，我們仍然按照步驟，來討論如何利用上述的APIs，來手寫一個字符設備的驅動程序。
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/。
創建驅動目錄和驅動程序
- $ cd linux-4.15/drivers/
- $ mkdir my_driver2
- $ cd my_driver2
- $ touch driver2.c
driver2.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/ctype.h>
- #include <linux/device.h>
- #include <linux/cdev.h>
- 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結構
- cdev_init(&my_cdev, &driver2_ops);
- // 注冊字符設備
- 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");
- // 注銷設備
- cdev_del(&my_cdev);
- // 注銷設備號
- unregister_chrdev_region(dev_no, 2);
- }
- MODULE_LICENSE("GPL");
- module_init(driver2_init);
- module_exit(driver2_exit);
這里看一下加載驅動模塊時調用的 driver2_init( ) 函數，其中的 cdev_init 用來把cdev結構體與 file_operations 發生關聯。
在調用 alloc_chrdev_region( ) 時，操作系統分配了主設備號，并且保存在 dev_no 變量中，然后 cdev_add() 再把設備號與cdev結構體進行關聯。
創建 Makefile 文件
- $ touch Makefile
內容如下：
- 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
編譯驅動模塊
- $ make
得到驅動程序： driver2.ko 。
加載驅動模塊
在加載驅動模塊之前，先來檢查一下系統中，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/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 設備的設備號。
- $ cat /proc/devices
/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。
為了方便查看打印信息，把dmesg輸出信息清理一下：
- $ sudo dmesg -c
執行如下指令，加載驅動模塊:
- $ sudo insmod driver2.ko
當驅動程序被加載的時候，通過 module_init( ) 注冊的函數 driver2_init() 將會被執行，那么其中的打印信息就會輸出。
還是通過 dmesg 指令來查看驅動模塊的打印信息：
- $ dmesg
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：
- $ cat /proc/devices
設備已經注冊了，主設備號是: 244 。
但是，此時在/dev目錄下，還沒有我們需要的設備節點。
在上一篇文章中介紹過，還可以利用 Linux 用戶態的 udev 服務來自動創建設備節點。
現在，我們手動創建設備節點：
- $ sudo mknod -m 660 /dev/driver2 c 244 0
主設備號 244 是從 /proc/devices 查到的。
檢查一下是否創建成功：
- $ ll /dev/driver2
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
應用程序仍然放在 ~/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/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，成功打開了設備，并且調用讀函數、寫函數都成功了!
繼續用dmesg命令查看一下：
卸載驅動模塊
卸載指令：
- $ sudo rmmod driver2
此時，/proc/devices 下主設備號 244 的 driver2 已經不存在了。
再來看一下 dmesg的打印信息：
可以看到：驅動程序中的 driver2_exit( ) 被調用執行了!
小結
以上就是利用“新的” API 函數，來編寫字符設備的驅動程序。
代碼結構還是非常清晰的，這得益于Linux良好的驅動程序架構設計!這也是每一名架構師需要學習、努力模仿的地方。
本文轉載自微信公眾號「IOT物聯網小鎮」
