Linux字符設備
一． 使用字符設備驅動
1. 編譯/安裝驅動
在Linux系統中，驅動程序通常采用內核模塊的程序結構來進行編碼。因此，編譯/安裝一個驅動程序，其實質就是編譯/安裝一個內核模塊。
2. 字符設備文件
通過字符設備文件，應用程序可以使用相應的字符設備驅動程序來控制字符設備。
創建字符設備文件的方法一般有兩種：
1.使用mknod命令
mknod /dev/文件名 c 主設備號 次設備號
2. 使用函數在驅動程序中創建
二． 字符驅動編程模型
1. 設備描述結構
在任何一種驅動模型中，設備都會用內核中的一種結構來描述。我們的字符設備在內核中使用structcdev來描述。
struct cdev {
struct kobject kobj;
struct module *owner;
const struct file_operations *ops; //設備操作集
struct list_head list;
dev_t dev; //設備號
unsigned int count; //設備數
};
1.1 設備號
查看/dev目錄下設備號
1.1 次設備號
2.1 設備號-操作
Linux內核中使用dev_t類型來定義設備號，dev_t這種類型其實質為32位的unsigned int，其中高12位為主設備號，低20位為次設備號.
問1：如果知道主設備號，次設備號，怎麼組合成dev_t類型
答：dev_t dev = MKDEV(主設備號，次設備號)
問2: 如何從dev_t中分解出主設備號?
答: 主設備號 = MAJOR(dev_t dev)
問3: 如何從dev_t中分解出次設備號？
答: 次設備號=MINOR(dev_t dev)
1.1 設備號-分配
如何為設備分配一個主設備號？
靜態申請
開發者自己選擇一個數字作為主設備號，然後通過函數register_chrdev_region向內核申請使用。缺點：如果申請使用的設備號已經被內核中的其他驅動使用了，則申請失敗。
動態分配
使用alloc_chrdev_region由內核分配一個可用的主設備號。
優點：因為內核知道哪些號已經被使用了，所以不會導致分配到已經被使用的號。
1.1 設備號-注銷
不論使用何種方法分配設備號，都應該在驅動退出時，使用unregister_chrdev_region
函數釋放這些設備號。
1.2 操作函數集
2.2 操作函數集
Struct file_operations是一個函數指針的集合，定義能在
設備上進行的操作。結構中的函數指針指向驅動中的函數,
這些函數實現一個針對設備的操作, 對於不支持的操作則設
置函數指針為 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,
};
2.1 字符設備初始化
2.1 描述結構-分配
cdev變量的定義可以采用靜態和動態兩種辦法
• 靜態分配
struct cdev mdev;
• 動態分配
struct cdev *pdev = cdev_alloc();
2.1 描述結構-初始化
struct cdev的初始化使用cdev_init函數來完成。
cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
參數：
cdev: 待初始化的cdev結構
fops: 設備對應的操作函數集
2.1 描述結構-注冊
字符設備的注冊使用cdev_add函數來完成。
cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
參數：
p: 待添加到內核的字符設備結構
dev: 設備號
count: 該類設備的設備個數
2.1 硬件初始化
根據相應硬件的芯片手冊，完成初始化。
2.2 實現設備操作
2.2 手把手帶你來分析
分析
file_operations
2.2 設備操作原型
int (*open) (struct inode *, struct file *)
打開設備，響應open系統
int (*release) (struct inode *, struct file *);
關閉設備，響應close系統調用
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int)
重定位讀寫指針，響應lseek系統調用
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)
從設備讀取數據，響應read系統調用
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)
向設備寫入數據，響應write系統調用
2.2 Struct file
在Linux系統中，每一個打開的文件，在內核中都會關聯一個struct file，它由內核在打開文件時創建, 在文件關閉後釋放。
重要成員：
loff_t f_pos /*文件讀寫指針*/
struct file_operations *f_op /*該文件所對應的操作*/
2.2 Struct inode
每一個存在於文件系統裡面的文件都會關聯一個inode 結構，該結構主要用來記錄文件物理上的信息。因此, 它和代表打開文件的file結構是不同的。一個文件沒有被打開時不會關聯file結構，但是卻會關聯一個inode 結構。
重要成員：
dev_t i_rdev：設備號
3.2 設備操作-open
open設備方法是驅動程序用來為以後的操作完成初始化准備工作的。在大部分驅動程序
中，open完成如下工作：
標明次設備號
啟動設備
3.2 設備操作-release
release方法的作用正好與open相反。這個設備方法有時也稱為close，它應該：
關閉設備。
3.2 設備操作-read
read設備方法通常完成2件事情：
從設備中讀取數據(屬於硬件訪問類操作)
將讀取到的數據返回給應用程序
ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)
參數分析：
filp：與字符設備文件關聯的file結構指針, 由內核創建。
buff : 從設備讀取到的數據，需要保存到的位置。由read系統調用提供該參數。
count: 請求傳輸的數據量，由read系統調用提供該參數。
offp: 文件的讀寫位置，由內核從file結構中取出後，傳遞進來。
buff參數是來源於用戶空間的指針，這類指針都不能被內核代碼直接引用，必須使用專門的函數
int copy_from_user(void *to, const void __user *from, int n)
int copy_to_user(void __user *to, const void *from, int n)
3.2 設備操作-write
write設備方法通常完成2件事情：
從應用程序提供的地址中取出數據將數據寫入設備(屬於硬件訪問類操作)
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)
其參數類似於read
2.3 驅動注銷
當我們從內核中卸載驅動程序的時候，需要使用cdev_del函數來完成字符設備的注銷。
先寫一個自動分配字符設備號手動分配字符設備節點的例子及APP
手動安裝步驟：
Insmod char_dev.ko
查看字符設備號
cat /proc/devices
再安裝設備節點
mknod /dev/my_chardev c 248 0
然後是測試app
./my_char_dev_app 1
內核驅動代碼char_dev.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/device.h> //下面這三個頭文件是由於動態創建需要加的
#include <linux/device.h>
#include <linux/cdev.h>
#include "my_cdev.h"
struct cdev cdev;
dev_t devno;//這裡是動態分配設備號
int my_cdev_open(struct inode *node,struct file *filp)
{
printk("my_cdev_open sucess!\n");
return 0;
}
long my_cdev_ioctl(struct file *filp ,unsigned int cmd ,unsigned long arg)
{
switch(cmd)
{
case LED_ON:
printk("LED_ON is set!\n");
return 0;
case LED_OFF:
printk("LED_OFF is set!\n");
return 0;
default :
return -EINVAL;
}
}
struct file_operations my_cdev_fops=
{
.open = my_cdev_open,
.unlocked_ioctl = my_cdev_ioctl,
};
static int my_cdev_init(void)
{
int ret;
/**動態分配設備號*/
ret = alloc_chrdev_region(&devno,0,1,"my_chardev");
if(ret)
{
printk("alloc_chrdev_region fail!\n");
unregister_chrdev_region(devno,1);
return ret;
}
else
{
printk("alloc_chrdev_region sucess!\n");
}
/**描述結構初始化*/
cdev_init(&cdev,&my_cdev_fops);
/**描述結構注冊*/
ret = cdev_add(&cdev,devno,1);
if(ret)
{
printk("cdev add fail.\n");
unregister_chrdev_region(devno,1);
return ret;
}
else
{
printk("cdev add sucess!\n");
}
return 0;
}
static void my_cdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev);
unregister_chrdev_region(devno,1);
printk("my_cdev_exit sucess!\n");
}
module_init(my_cdev_init);
module_exit(my_cdev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("YEFEI");
MODULE_DESCRIPTION("YEFEI Driver");
APP頭文件my_cdev.h
#ifndef __MY_CDEV_H__
#define __MY_CDEV_H__
#define LED_MAGIC 'L'
#define LED_ON _IO(LED_MAGIC,0)
#define LED_OFF _IO(LED_MAGIC,1)
#endif
APP測試文件my_char_dev_app.c
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include "my_cdev.h"
int main(int argc,char *argv[])
{
int fd;
int cmd;
if(argc < 2)
{
printf("Please enter secend param!\n");
return 0;
}
cmd = atoi(argv[1]);
fd = open("/dev/my_chardev",O_RDWR);
if(fd < 0)
{
printf("Open dev/my_chardev fail!\n");
close(fd);
return 0;
}
switch(cmd)
{
case 1:
ioctl(fd,LED_ON);
break;
case 2:
ioctl(fd,LED_OFF);
break;
default:
break;
}
close(fd);
return 0;
}
2016-02-17
21:54:48
