Linux学习第11天：字符设备驱动开发：一字一符总见情

news2025/1/17 0:54:10

本文是驱动开发的第一篇笔记。主要内容是字符设备驱动开发最基础的内容，主要包括字符设备的概念、开发步骤以及一个十分重要的概念：设备号。其思维导图能简单的显示本文的基本框架，如下：

一、字符设备

字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的点灯、按键、 IIC、 SPI，LCD 等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。

在 Linux 内核文件 include/linux/fs.h 中有个叫做 file_operations 的结构体，此结构体就是 Linux 内核驱动操作函数集合。

二、字符设备驱动开发步骤

☆☆☆ Linux驱动开发的学习重点是学习其驱动框架。

1.驱动模块的加载和卸载

将驱动编译为模块最大的好处就是方便开发。模块的加载和卸载函数如下：

module_init(xxx_init); 当使用insmod命令加载驱动时，xxx_init这个函数就会被调用。

module_exit(xxx_exit);当使用rmmod命令卸载驱动时，xxx_exit这个函数就会被调用。

字符设备驱动模块加载和卸载模板如下所示：

1 /* 驱动入口函数 */
2 static int __init xxx_init(void)
3 {
4 /* 入口函数具体内容 */
5 return 0;
6 }
7 8
/* 驱动出口函数 */
9 static void __exit xxx_exit(void)
10 {
11 /* 出口函数具体内容 */
12 }
13
14 /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
15 module_init(xxx_init);
16 module_exit(xxx_exit);

驱动编译完成以后扩展名为.ko

insmod命令不能解决模块的依赖关系，所以推荐使用modprobe命令加载驱动模块。

2.字符设备的注册与注销

字符设备的注册与注销函数原型如下：

static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
const struct file_operations *fops)
static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)

一般字符设备的注册在驱动模块的入口函数 xxx_init 中进行，字符设备的注销在驱动模块的出口函数 xxx_exit 中进行。实例如下所示：

1 static struct file_operations test_fops;
2 3
/* 驱动入口函数 */
4 static int __init xxx_init(void)
5 {
6 /* 入口函数具体内容 */
7 int retvalue = 0;
8 9
/* 注册字符设备驱动 */
10 retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops);
11 if(retvalue < 0){
12 /* 字符设备注册失败,自行处理 */
13 }
14 return 0;
15 }
16
17 /* 驱动出口函数 */
18 static void __exit xxx_exit(void)
19 {
20 /* 注销字符设备驱动 */
21 unregister_chrdev(200, "chrtest");
22 }
23
24 /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
25 module_init(xxx_init);
26 module_exit(xxx_exit);

3.实现设备的具体操作函数

file_operation结构体就是设备的具体操作函数。

实例有如下要求：

1.能够对chrtest进行打开和关闭操作。

2.对chrtest进行读写操作。

明白需求以后，在其中加入test_fops这个结构体变量从初始化操作，内容如下：

1 /* 打开设备 */
2 static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp)
3 {
4 /* 用户实现具体功能 */
5 return 0;
6 }
7 8
/* 从设备读取 */
9 static ssize_t chrtest_read(struct file *filp, char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
10 {
11 /* 用户实现具体功能 */
12 return 0;
13 }
14
15 /* 向设备写数据 */
16 static ssize_t chrtest_write(struct file *filp,
const char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
17 {
18 /* 用户实现具体功能 */
19 return 0;
20 }
21
22 /* 关闭/释放设备 */
23 static int chrtest_release(struct inode *inode, struct file *filp)
24 {
25 /* 用户实现具体功能 */
26 return 0;
27 }
28
29 static struct file_operations test_fops = {
30 .owner = THIS_MODULE,
31 .open = chrtest_open,
32 .read = chrtest_read,
33 .write = chrtest_write,
34 .release = chrtest_release,
35 };
36
37 /* 驱动入口函数 */
38 static int __init xxx_init(void)
39 {
40 /* 入口函数具体内容 */
41 int retvalue = 0;
42
43 /* 注册字符设备驱动 */
44 retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops);
45 if(retvalue < 0){
46 /* 字符设备注册失败,自行处理 */
47 }
48 return 0;
49 }
50
51 /* 驱动出口函数 */
52 static void __exit xxx_exit(void)
53 {
54 /* 注销字符设备驱动 */
55 unregister_chrdev(200, "chrtest");
56 }
57
58 /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
59 module_init(xxx_init);
60 module_exit(xxx_exit);

4.添加LICENSE和作者信息

LICENSE必须添加，作者信息可以不添加。两种的添加使用如下两个函数：

MODULE_LICENSE()
MODULE_AUTHOR()

//添加模块 LICENSE 信息
//添加模块作者信息

内容如下：

1 /* 打开设备 */
2 static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp)
3 {
4 /* 用户实现具体功能 */
5 return 0;
6 }
......
57
58 /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
59 module_init(xxx_init);
60 module_exit(xxx_exit);
61
62 MODULE_LICENSE("GPL");
63 MODULE_AUTHOR("jia");

三、设备号

1.设备号的组成

Linux 中每个设备都有一个设备号，设备号由主设备号和次设备号两部分组成，主设备号【12位】表示某一个具体的驱动，次设备号【20位】表示使用这个驱动的各个设备。 Linux 提供了一个名为 dev_t 的数据类型表示设备号， dev_t 定义在文件include/linux/types.h 里面，定义如下：

12 typedef __u32 __kernel_dev_t;
......
15 typedef __kernel_dev_t dev_t;

_u32 类型的定义如下：

typedef unsigned int __u32;
include/linux/kdev_t.h提供了几个关于设备号的操作函数（本质是宏），如下所示：

6 #define MINORBITS 20//MINORMASK设备号
7 #define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)
8 
9#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))//宏MAJOR用于从dev_t中获取主设备号，将dev_t右移20位即可。
10 #define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))宏MINOR用于从dev_t中获取从设备号，取dev_t右移20位即可。
11 #define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))//宏MKDEV用于将给定的主设备号和次设备号的值组合成dev_t类型的设备号。