Linux 字符设备驱动

1. 概念

能够以字节流的形式访问而且只能顺序访问的设备叫做字符设备，针对字符设备编写的驱动叫做字符设备驱动

2. 字符设备驱动原理框图


用户层： app: open("/dev/input/mouse0", O_RDWR);
				read(), wirte(), close()
─────────────────────────────────────────────────────
内核层：    鼠标设备驱动
┌──────────────────────────┐  鼠标设备驱动注册后会得
│   mouse_open()           │  到一个设备号可以创建
│   mouse_read()           │  鼠标设备文件 /dev/...
│   mouse_write()          │  设备号：13，32
│   mouse_close()          │  设备号 = 13 << 20 | 32
└──────────────────────────┘
─────────────────────────────────────────────────────
硬件层：    鼠标设备

应用层控制硬件需要完成的事情：

驱动如何注册

设备文件如何创建

用户空间的系统调用如何回调到系统的操作方法

用户空间如何将指令传递到内核，内核如何将数据传递到用户空间

Linux 用户和内核之间的数据传递

将硬件寄存器的物理内存映射为虚拟内存控制硬件

Linux 内存地址映射函数

3. 字符设备驱动注册注销API

3.1 注册接口函数


#include <linux/fs.h> // 头文件
// 函数原型
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
										const struct file_operations *fops);

功能：实现字符设备驱动的注册，这个函数申请了 256 个设备的资源，次设备号是 0 - 255。

参数：

major：注册的驱动对应的主设备号

major == 0：系统会自动分配一个主设备号
major > 0: 会被当作主设备号，静态指定

name：注册时填写的驱动名称

fops：操作方法结构体指针

返回值：

当 major == 0 时，成功返回主设备号，失败返回错误码

当 major > 0 时，成功返回 0，失败返回错误码

💡

1. cat /proc/devices 查看已经注册的驱动的名字、类型以及主设备号 2. 尽量使用动态申请，避免设备号重复

3.2 操作方法结构体

用于管理驱动中的各种操作方法（节选）：


struct file_operations {
  int (*open) (struct inode *, struct file *);
  ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
  ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
  int (*release) (struct inode *, struct file *);
};

3.3 注销接口函数


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

4. 字符设备驱动注册实例

4.1 编写驱动代码


#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>

int major; // 保存主设备号

// 封装操作方法
int mycdev_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
	printk("%s:%s:%d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
	return 0;
}

ssize_t mycdev_read(struct file *file, char *ubuf, size_t size, loff_t *iof)
{
	printk("%s:%s:%d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
	return 0;
}

ssize_t mycdev_write(struct file *file, const char *ubuf, size_t size,
		     loff_t *lof)
{
	printk("%s:%s:%d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
	return 0;
}

int mycdev_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
	printk("%s:%s:%d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
	return 0;
}

// 定义操作方法结构体变量并完成初始化
struct file_operations fops = {
	.open = mycdev_open,
	.read = mycdev_read,
	.write = mycdev_write,
	.release = mycdev_close,
};

static int __init mycdev_init(void)
{
	major = register_chrdev(0, "mychrdev", &fops);
	if (major < 0) {
		printk("字符设备驱动注册失败\n");
		return major;
	}
	printk("字符设备驱动注册成功major=%d\n", major);
	return 0;
}

static void __exit mycdev_exit(void)
{
  unregister_chrdev(major, "mychrdev");
}

module_init(mycdev_init);
module_exit(mycdev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

4.2 编译驱动代码

还是使用

Linux 内核模块编程中的 Makefile 文件


make arch=x86 modname=mychrdev

4.3 安装


$ insmod mychrdev.ko
$ dmesg
[52123.550397] 字符设备驱动注册成功major=239

4.4 查看是否注册


$ cat /proc/devices | grep mychrdev
239 mychrdev

4.5 手动创建设备文件

设备文件不能简单通过 touch 来创建（删除可以直接使用 rm ），需要使用 mknod ，其格式为：


# mknod 设备路径 设备类型(c/b) 主设备号 次设备号
# 例：
$ mknod /dev/mychrdev c 239 0
# 查看文件
$ ls -l /dev/mychrdev

4.6 编写程序测试


#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
    char buf[128] = { 0 };
    int fd = open("/dev/mychrdev", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        printf("打开设备文件失败\n");
        exit(-1);
    }
    read(fd, buf, sizeof(buf));
    write(fd, buf, sizeof(buf));
    close(fd);
    return 0;
}

编译执行：


$ gcc test.c
$ ./a.out
$ dmesg
[52248.199508] /sys_import/mychrdev/mychrdev.c:mychrdev_open:10
[52248.199523] /sys_import/mychrdev/mychrdev.c:mychrdev_read:16
[52248.199526] /sys_import/mychrdev/mychrdev.c:mychrdev_write:23
[52248.199597] /sys_import/mychrdev/mychrdev.c:mychrdev_close:29

参考资料：

Character Device Files (tldp.org)