Linux字符设备驱动——Linux2.6标准字符设备驱动模型

你的名字 2021-12-12 07:25 402阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  Linux2.6标准字符设备特征
 *  Linux2.6标准字符设备定义
 *   *  字符设备驱动结构体
     *  头文件
     *  设备号
     *  分配核心结构函数
     *  静态设备号注册函数
     *  动态设备号注册函数
     *  设备号注销函数（释放设备号函数）
     *  核心结构初始化函数
     *   *  注册函数
         *  注销函数
 *  编写Linux2.6字符设备模型步骤
 *   *  第一步：变量定义
     *  第二步到第八步在入口函数完成
     *   *  第二步：分配一个核心结构
         *  第三步：申请设备号
         *  第四步：初始化核心结构
         *  第五步：注册核心结构
         *  第六步和第七步增加自动创建设备文件功能
         *  第六步：创建一个设备类
         *  第七步：创建一个设备，报告设备信息
         *  第八步：出错处理
     *  第九步：注销核心结构，释放设备号
 *  Linux2.6标准字符设备驱动模型源码
 *   *  驱动程序zx\_linux26\_led.c源代码
     *  应用程序app.c源代码
     *  示例代码测试

# Linux2.6标准字符设备特征 #

1.  使用一个核心结构体把需要的信息进行封装struct cdev;
2.  安装驱动后，不会在/dev/目录下创建设备节点，需要使用mknod创建;
3.  主设备号可以被注册多次，每次注册只会占用指定数量的次设备;
4.  设备号使用要先使用专门的函数申请，分为静态和动态.

动态：不知道哪个号可以用，由内核分配  
静态：用用户指定的号进行申请

# Linux2.6标准字符设备定义 #

## 字符设备驱动结构体 ##

struct cdev 
    {
    	struct kobject kobj;
    	struct module *owner;
    	const struct file_operations *ops;	//设备文件操作方法
    	struct list_head list;
    	dev_t dev;                    					//32位设备号，包含主次
    	unsigned int count;							//需要占用的连续次设备号的个数
    };

ops：文件操作集合指针  
dev：起始设备号，（包含主次设备号，dev\_t实际上是一个u32类型）

## 头文件 ##

\#include<linux/cdev.h>

## 设备号 ##

使用32位数据类型表示，其中12位表示主设备号，低20位表示次设备号。  
主：0~4096-1  
次：0~1M-1  
专门定义了dev\_t类型来存放设备号类型，实际就是unsigned long类型

由于主次设备号都在一个数据中，内核提供了一些宏来合成设备号和分离设备号

MKDEV(ma,mi) ma主设备号，mi此设备号，这个宏是合成设备号  
MAJOR(devnr) 从设备号devnr中得到主设备号  
MANOR(devor) 从设备号devnr中得到次设备号

## 分配核心结构函数 ##

struct cdev \*cdev\_alloc(void)  
功能：在堆区空间中分配一个核心结构cdev，注意，不使用时候要使用 kfree 函数释放。

返回值：返回分配到struct cdev结构空间首地址。

注意：说明：用完记得释放,否则会造成内存泄漏。  
如果在静态存储区中定义全局变量，可以不适用这个函数，需要输入以下代码：

struct cdev dev;
    dev.count = 1;

如果想在堆空间中分配 cdev结构空间，就使用这个函数。出于内存利用率考虑建议使用这个函数进行分配核心结构空间。  
输入以下代码实现：

struct cdev *pdev;
      pdev = cdev_alloc();
      pdev->count = 1;

## 静态设备号注册函数 ##

int register_chrdev_region(
        dev_t from         	    //起始设备号(主、次)
        unsigned count,         //连续的次设备号数量
        const char *name )    //设备名，不需要和/dev/的设备文件名相同

功能：注册一个设备号范围  
参数：

from：	起始设备号(主、次)
    count：	连续的次设备号数量
    name：	设备名，不需要和/dev/的设备文件名相同,是/proc/device文件的名字
    
    返回值：	成功；返回0，失败：返回负数

## 动态设备号注册函数 ##

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, //存放分配到的第一个设备(包含主次)
    unsigned baseminor,   //要分配起始次设备号 
    unsigned count,       // 连续的次设备号数量
    const char *name) 	  // 设备名，不需要和/dev/的设备文件名相同

功能： 注册一个设备号范围  
参数：

dev      ：存放分配到的第一个设备(包含主次设备号)
    baseminor	：要分配起始次设备号
    count    	：连续的次设备号数量
    name    	：设备名，不需要和/dev/的设备文件名相同
    
    返回值	：成功：返回0，失败：返回负数

## 设备号注销函数（释放设备号函数） ##

void unregister_chrdev_region( dev_t from, //起始设备号(主、次)
                                   unsigned int count)  //连续的次设备号数量

功能： 释放一个范围的设备号  
参数

from ：起始设备号(主、次) (包含主次设备号)
    count：连续的次设备号数量
    
    返回值：无

## 核心结构初始化函数 ##

void cdev_init( struct cdev *cdev,         //需要初始化的核心结构指针
                    const struct file_operations *fops)    //文件操作集合

功能：初始化核心结构，具体做的是清0 核心结构，初始化核心结构的list，kobj，ops成员  
参数：

cdev	：需要初始化的核心结构指针
    fops	：文件操作方法结构指针
    
    返回值	：无

注意：说明：写这种种驱动模型时候，不需要在定义struct cdev结合变量初始化，因为调用cdev\_init函数时候会把它清0，定义时候的初始无效。

源代码：

void cdev_init(struct cdev *cdev,             	  /* 需要初始化的核心结构指针*/
        			       const struct file_operations *fops)	  /* 文件操作集合*/
    {
    	memset(cdev, 0, sizeof *cdev);		/* 清0 核心结构 */
    	INIT_LIST_HEAD(&cdev->list); 	    /* 初始化核心结构的list，kobj，ops成员*/
    	kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);
    	cdev->ops = fops;               	/* 填充文件操作方法成员*/
    }

### 注册函数 ###

int cdev_add(struct cdev *p,   //已经初始化的核心结构指针
                 dev_t dev,       //始设备号(包含主次设备号在内)
                 unsigned count)  //连续次设备号数量

功能：注册一个cdev结构  
参数：

p：已经初始化的核心结构指针
    dev：起始设备号(包含主次设备号在内)
    count：连续次设备号数量
    
    返回值：成功：返回0，失败：返回负数

### 注销函数 ###

void cdev\_del(struct cdev \*p)

功能：注销一个cdev结构  
参数：

p：前面注册的struct cdev结构指针
    
    返回值：无

# 编写Linux2.6字符设备模型步骤 #

## 第一步：变量定义 ##

static  char * pchrdev_name = DEV_NAME;   //设备名
    static struct cdev *pcdev = NULL;            //分配到struct cdev结构空间首地址
    static unsigned int major = 0;  //主设备号，想动态设置0，否则设置正数1~255 (自己保证可用)
    static unsigned int minor = 0;  //次设备号
    static dev_t devnr      = 0;  //设备号
    static struct class *linux26_class = NULL;      //Linux2.6标准字符设备类
    static struct device *this_device = NULL;       //在设备类中的设备

## 第二步到第八步在入口函数完成 ##

### 第二步：分配一个核心结构 ###

int ret = 0
    
    pcdev = cdev_alloc();
    if(pcdev == NULL)
     {
         printk(KERN_EMERG "cdev_alloc  error\n");
         ret = -1;
         goto cdev_alloc_err;  //分配一个核心结构出错
     }

### 第三步：申请设备号 ###

if(major)    //如果用户定义了主设备号，使用静态分配的方式
     {
         devnr = MKDEV(major, minor);  //合成设备号
         ret = register_chrdev_region( devnr , 2, pchrdev_name);
         if ( ret < 0 ) { //返回0表示成功
             printk(KERN_EMERG "register_chrdev_region  error\n");
             goto register_chrdev_region_err; //静态申请设备号出错
          }
      }
    
      else {  //使用动态分配设备号方式
              ret =  alloc_chrdev_region(&devnr, minor, 2, pchrdev_name);
              if ( ret < 0 ){
                	printk(KERN_EMERG "alloc_chrdev_region  error\n");
                	goto alloc_chrdev_region_err;  //动态申请设备号出错
            	 }
    
              major = MAJOR(devnr);  //获得主设备号
              minor = MINOR(devnr);  //获得次设备号
    }

### 第四步：初始化核心结构 ###

cdev_init(pcdev, &chrdev_fops);

### 第五步：注册核心结构 ###

ret = cdev_add(pcdev, devnr, 2);
        if ( ret < 0 ) {
            printk(KERN_EMERG "cdev_add  error\n");
            goto cdev_add_err;  //注册核心结构出错
        }

### 第六步和第七步增加自动创建设备文件功能 ###

### 第六步：创建一个设备类 ###

Linux2.6内核支持一个udev的程序，这个程序是一个运行在用户空间的应用程序，这个程序会检测内存上报的热拔插的事件。  
在开发板上输入以下代码：  
ls /sys/class  
/sys/class/类名/设备名/uevent  
通过cat /sys/class/zxdev26/zxlinux26leds/uevent查看内容  
包含的头文件：  
\#include<linux/device.h>

创建设备类步骤：  
1、创建一个类  
2、创建设备  
3、报告事件

linux26_class = class_create(THIS_MODULE, CLASS_NAME); //取一个不同于设备名的类名
        if ( IS_ERR(linux26_class) )
        {   
            ret = PTR_ERR(linux26_class);
            goto class_create_err;   //创建一个设备类出错
        }

### 第七步：创建一个设备，报告设备信息 ###

this_device = device_create(linux26_class,NULL ,devnr,NULL,"%s", pchrdev_name);
        if ( IS_ERR(this_device) ) {
            ret = PTR_ERR(this_device);
            goto device_create_err;    //创建一个设备出错
         }

创建成功后会显示注册的信息，即报告的事件

[root@ZX20150811 /home]# ls -l /dev
    crw-rw----  1 root     root    10,   130  Aug  12  2015  watchdog
    crw-rw----  1 root     root   252,     0  Aug  12  2015  watchdog0
    crw-rw----  1 root     root     1,     5  Aug  12  2015  zero
    crw-rw----  1 root     root   150,    23  Aug  17  2015  zxlinux26leds 
    [root@ZX20150811 /home]# ls /sys/class/ | grep zx
    zxdev26
    [root@ZX20150811 /home]# cat /sys/class/zxdev26/zxlinux26leds/uevent 
    MAJOR=150
    MINOR=23
    DEVNAME=zxlinux26leds
    [root@ZX20150811 /home]#

### 第八步：出错处理 ###

如果其中一个流程没有完成，中间出错了，需要进行出错处理，每写一步，处理一步

device_create_err:          //创建一个设备出错
        class_destroy(linux26_class);
    class_create_err:           //创建一个设备类出错
        cdev_del(pcdev);
    cdev_add_err:             //注册核心结构出错
        unregister_chrdev_region(devnr, 2);
    alloc_chrdev_region_err:    //动态申请设备号出错
    register_chrdev_region_err:  //静态申请设备号出错
        kfree(pcdev);
    cdev_alloc_err:            //分配一个核心结构出错
        return ret ;

## 第九步：注销核心结构，释放设备号 ##

（注册时顺序步骤执行，而释放是逆序执行）

device_destroy(linux26_class, devnr);
        class_destroy(linux26_class);
        cdev_del(pcdev);
        unregister_chrdev_region(devnr, 2);
        kfree(pcdev);

# Linux2.6标准字符设备驱动模型源码 #

## 驱动程序zx\_linux26\_led.c源代码 ##

#include <linux/module.h>       //模块包含的头文件
    #include <linux/init.h>           
    #include <linux/fs.h>
    #include <linux/cdev.h>
    #include <linux/slab.h>      
    #include <linux/device.h>
    #include <asm/uaccess.h>        //copy_from_user ,copy_to_user
    #include<linux/gpio.h>          // GPIO
    
    #define CLASS_NAME  "zxdev26"
    #define DEV_NAME  	"zx_linux26_led"
    #define LED_NUM     (4)
    
    static unsigned int   major        		= 0;  //主设备号，想动态设置0，否则设置正数1~255 (自己保证可用)
    static unsigned int   minor            	= 0;  //次设备号
    static dev_t          devnr           	= 0;  //设备号
    static char *         pchrdev_name 		= DEV_NAME;
    static struct cdev    *pcdev        	= NULL;
    static struct class   *linux26_class    = NULL;
    static struct device  *this_device      = NULL;
    
    static unsigned int LED_pin[LED_NUM] = {
    	EXYNOS4X12_GPM4(0),
    	EXYNOS4X12_GPM4(1),
    	EXYNOS4X12_GPM4(2),
    	EXYNOS4X12_GPM4(3),	
    };
    
    static ssize_t chrdev_read (struct file *pfile, char __user *buff, size_t size, loff_t *off)
    {
        printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n", __LINE__, __FUNCTION__);
        return 0;
    }
    
    static ssize_t chrdev_write(struct file *filp,const char __user *user_buf,size_t count,loff_t *off)
    {
        int ret = 0;
        char buf[LED_NUM] = {0};
        int i = 0;
    	
        printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n", __LINE__, __FUNCTION__);
        
        if(count == 0){
            return 0;
    	}
       
        if(count > LED_NUM){  //板子只有4盏灯。
            count = LED_NUM;
    	}
    
        ret = copy_from_user(buf, user_buf, count); //用户空间传数据到内核空间
        if(ret){
            return ret;
    	}
    
        for(i = 0; i < count; i++) 
    	{
            if(buf[i] == 1){
                gpio_set_value(LED_pin[i],0);/* 亮 */
            }else if(buf[i] == 0){
                gpio_set_value(LED_pin[i],1);/* 灭 */
    		}
        }
    	
        return count;
    }
    
    static int  chrdev_open(struct inode *pinode, struct file *pfile)
    {
        printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n", __LINE__, __FUNCTION__);
    
        return 0;
    }
    
    static int chrdev_release(struct inode *pinode, struct file *pfile)
    {
        printk(KERN_EMERG "line:%d,%s is call\n", __LINE__, __FUNCTION__);
    
        return 0;
    }
    
    static const  struct file_operations chrdev_fops ={
        .read     = chrdev_read,
        .write    = chrdev_write,
        .release  = chrdev_release,
        .open     = chrdev_open,
    };
    
    static int __init zx_linux26_led_init(void)
    {
        int ret = 0;
        int  i  = 0;
    	
    	for(i = 0;i < LED_NUM; i++)
    	{	
    		ret = gpio_request(LED_pin[i],"leds");
    		if(ret < 0){
    			printk(KERN_EMERG "gpio_request is error\n");
    			
    			goto gpio_request_err;
    		}
    		
    		gpio_direction_output(LED_pin[i],1); //四盏灯设置为输出功能，并且输出高电平
    	}
    
        pcdev = cdev_alloc(); //第1步:分配核心结构
        if(pcdev == NULL) {
            printk(KERN_EMERG "cdev_alloc  error\n");
            ret = -1;
    		
            goto cdev_alloc_err;
        }
       
        if(major) { //第2步:申请设备号
            devnr = MKDEV(major, minor);
            ret = register_chrdev_region( devnr , 2, pchrdev_name);  //使用静态分配设备号方式
            if ( ret < 0 ) {
                printk(KERN_EMERG "register_chrdev_region  error\n");
    			
                goto register_chrdev_region_err;
            }
        }else {        
            ret =  alloc_chrdev_region(&devnr, minor, 2, pchrdev_name);  //使用动态分配设备号方式
            if ( ret < 0 ) {
                printk(KERN_EMERG "alloc_chrdev_region  error\n");
                goto alloc_chrdev_region_err;
            }
    
            major = MAJOR(devnr);
            minor = MINOR(devnr);
        }
    
        printk(KERN_EMERG "major:%d,minor:%d\n", major, minor);
        
        cdev_init(pcdev, &chrdev_fops);   //第3步:初始化cdev结构
        
        ret = cdev_add(pcdev, devnr, 2);  //第4步:注册核对结构
        if ( ret < 0 ){
            printk(KERN_EMERG "cdev_add  error\n");
            goto cdev_add_err;
        }
        /* 增加自动创建设备文件功能 */
        //第5步:创建一个设备类
        // linux26_class = class_create(THIS_MODULE,pchrdev_name);//可以和设备名相同
        linux26_class = class_create(THIS_MODULE, CLASS_NAME); //取一个不同于设备名的类名
        if ( IS_ERR(linux26_class) ) {   
            ret = PTR_ERR(linux26_class);
    		
            goto class_create_err;
        }
        
        this_device =  device_create(linux26_class,NULL,devnr,NULL,"%s", pchrdev_name); //第6步:创建一个设备,报告设备信息
        if ( IS_ERR(this_device) ) {
            ret = PTR_ERR(this_device);
    		
            goto device_create_err;
        }
    	
    	printk(KERN_EMERG "%s is OK!!!\n",__FUNCTION__);
    
        return 0;
    	
    device_create_err:  //出错处理
    	class_destroy(linux26_class);
    class_create_err:
    	cdev_del(pcdev);
    cdev_add_err:
    	unregister_chrdev_region(devnr, 2);
    alloc_chrdev_region_err:
    register_chrdev_region_err:
    	kfree(pcdev);
    cdev_alloc_err:
    	return ret ;
    gpio_request_err:
      for(--i;i >=0 ; i--)
      {
    	  gpio_free(LED_pin[i]);
      }
      
      return ret ;
    }
    
    static void  __exit zx_linux26_led_exit(void)
    {
    	int i = 0;
    
        for(i=0;i<LED_NUM;i++)
    	{
    		 gpio_set_value(LED_pin[i],1);  //灭灯
    		 gpio_free(LED_pin[i]);    		//释放GPIO
    	}
    	
    	device_destroy(linux26_class, devnr);
        class_destroy(linux26_class);
        cdev_del(pcdev);
        unregister_chrdev_region(devnr, 2);
    	
        printk(KERN_EMERG "Goodbye,zx_linux26_led\n");
    }
    
    module_init(zx_linux26_led_init);
    module_exit(zx_linux26_led_exit);
    MODULE_LICENSE("GPL");

## 应用程序app.c源代码 ##

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    #include <unistd.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    
    #define DEV_NAME  	"/dev/zx_linux26_led"
    #define LED_NUM     (4)
    
    int main(void)
    {
        char buf[] = {1, 0, 0, 0}; //1，亮，0表示灭，
        int i = 0;
        int fd;
    
        //打开设备文件 O_RDWR,  O_RDONLY, O_WRONLY,
        fd = open(DEV_NAME, O_RDWR);
        if(fd < 0){
            printf("open :%s failt!\r\n", DEV_NAME);
    	}
    
    
        while(1) 
    	{
            write(fd, buf, LED_NUM);
            memset(buf, 0, LED_NUM);
            buf[i++ % LED_NUM] = 1;
    		
            sleep(1);
        }
    
        return 0;
    }

## 示例代码测试 ##

[root@ZX20150811 /home]# ls
    app                zx_linux26_led.ko
    [root@ZX20150811 /home]# insmod zx_linux26_led.ko 
    [ 6594.735000] major:249,minor:0
    [ 6594.745000] zx_linux26_led_init is OK!!!
    [root@ZX20150811 /home]# ./app 
    [ 6597.395000] line:68,chrdev_open is call
    [ 6597.395000] line:42,chrdev_write is call
    [ 6598.395000] line:42,chrdev_write is call
    [ 6599.395000] line:42,chrdev_write is call
    [ 6600.400000] line:42,chrdev_write is call
    ^C[ 6601.390000] line:75,chrdev_release is call
    
    [root@ZX20150811 /home]#