LDD学习笔记 -- Linux字符设备驱动
- 虚拟文件系统 VFS
- 设备号
- 相关Kernel APIs
- 动态申请设备号
- 动态创建设备文件
- 内核空间和用户空间的数据交换
- 系统调用方法
- read
- write
- lseek
- 写一个伪字符设备驱动
- 在主机上测试pcd(HOST)
- 在目标板上测试pcd(TARGET)
字符驱动程序用于与Linux内核中的设备进行交互；
字符设备指的是像内存区域这样的硬件组件，通常称为伪设备；
用户空间应用程序通常使用open read write等系统调用与这些设备通信；
虚拟文件系统 VFS
把用户空间的系统调用连接到设备驱动的系统调用实现方法上。
内核的虚拟文件系统 virtual file system，在内核空间
设备驱动需要使用内核的API向虚拟文件系统注册
设备号
Major numbers（指示特定的驱动） + Minor numbers（表示指定的设备文件）
设备创建时候在VFS注册设备号，虚拟文件系统，将设备文件的设备号与驱动程序列表进行比较，选择正确的驱动程序，并将用户请求连接到对应驱动程序的文件操作方法。
相关Kernel APIs
| kernel functions and data structures（Creation） | （Deletion） | kernel header file |
|---|---|---|
alloc_chrdev_region() | unregister_chrdev_region() | include/linux/fs.h |
cdev_init() cdev_add() | cdev_del() | include/linux/cdev.h |
device_creat() class_creat() | device_destory() class_destory | include/linux/device.h |
copy_to_user() copy_from_user() | include/linux/uaccess.h | |
VFS structure definitions | include/linux/cdev.h |
动态申请设备号
alloc_chrdev_region() 可以动态申请主设备号，保证唯一性，传输设备号（dev_t [u32]）地址和次设备号起始（一般0）和个数。
dev_t device_number; //32bit
int minor_no = MINOR(device_number); //后20bit `kdev_t.h`
int major_no = MAJOR(device_number); //前12bit
MKDEV(int major, int minor);
动态创建设备文件
当收到uevent，udev根据uevent内存储的细节在dev目录下创建设备文件。
class_create ：在sysf中创建一个目录/sys/Class/<your_class_name>
device_create：在上面目录下使用设备名创建一个子目录/sys/Class/<your_class_name>/<your_device_name> /dev 这里的dev文件存储设备名主副设备号等
udev：用户空间的应用，动态创建设备文件/sys/Class/<your_class_name>/<your_device_name> /dev --> dev/your_device_name
内核空间和用户空间的数据交换
用户空间的指针不是完全可信的，用户地址空间有时可能无效，虚拟内存管理器可以交换出这些内存位置。
内核级代码不能直接引用用户级内存指针；
使用内核数据复制工具copy_to_user copy_from_user。工具会检查用户空间指针是否有效
系统调用方法
read
用户级进程执行read系统调用从文件中读取。文件可以是普通文件，也可以是一个设备文件（处理具体设备）。
例如前面的伪字符设备，有一块内存数组（设备内存buffer）。当用户程序在该设备文件上发出read系统调用时，应该将数据从设备buffer传到用户buffer。该数据拷贝发生在内核端到用户端。
write
将数据从用户空间复制到内核空间，
用户程序想把一些数据写入设备内存buffer。
lseek
改变f_pos（struct file）变量的位置，将文件位置指针向前/向后移动。
写一个伪字符设备驱动
- 动态申请设备号
- 创建
cdev结构体变量和file_operiations结构体变量 - 使用fops初始化字符设备结构体变量
- 向内核VFS注册设备
- 实现
file operiation的方法 - 初始化
file operiation变量 - 创建设备文件
class_create()device_create() - 驱动清理函数功能实现
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <uapi/asm-generic/errno-base.h>
#define DEV_MEM_SIZE 512
/* pseudo device's memory */
char device_buffer[DEV_MEM_SIZE];
/* This hold the device number */
dev_t device_number;
/* Cdev variable */
struct cdev pcd_cdev;
loff_t pcd_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
pr_info("%s\n", __func__);
loff_t temp;
switch (whence)
{
case SEEK_SET:
if ((offset > DEV_MEM_SIZE) || (offset < 0))
return -EINVAL;
filp->f_pos = offset;
break;
case SEEK_CUR:
temp = filp->f_pos + offset;
if ((temp > DEV_MEM_SIZE) || (offset < 0))
return -EINVAL;
filp->f_pos = temp;
break;
case SEEK_END:
temp = DEV_MEM_SIZE + offset;
if ((temp > DEV_MEM_SIZE) || (offset < 0))
return -EINVAL;
filp->f_pos = temp;
break;
default:
return -EINVAL;
}
pr_info("New value of the file position = %lld\n", filp->f_pos);
return filp->f_pos;
// return 0;
}
ssize_t pcd_read(struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *f_pos)
{
pr_info("%s :Read requested for %zu bytes\n", __func__, count);
if((*f_pos + count) > DEV_MEM_SIZE)
count = DEV_MEM_SIZE - *f_pos;
if(copy_to_user(buff, &device_buffer[*f_pos], count)){
return -EFAULT;
}
*f_pos += count;
pr_info("Number of bytes successful read = %zu\n", count);
pr_info("Update file position = %lld\n", *f_pos);
return count;
}
ssize_t pcd_write(struct file *filp, const char __user *buff, size_t count, loff_t *f_pos)
{
pr_info("%s :Write requested for %zu bytes, current file position = %lld\n", __func__, count, *f_pos);
if((*f_pos + count) > DEV_MEM_SIZE)
count = DEV_MEM_SIZE - *f_pos;
if(!count)
return -ENOMEM;
if(copy_from_user(&device_buffer[*f_pos], buff, count)){
return -EFAULT;
}
*f_pos += count;
pr_info("Number of bytes successful writtens = %zu\n", count);
pr_info("Update file position = %lld\n", *f_pos);
return count;
}
int pcd_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
pr_info("%s\n", __func__);
return 0;
}
int pcd_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
pr_info("%s\n", __func__);
return 0;
}
/* file operations variable */
struct file_operations pcd_fops = {
.open = pcd_open,
.write = pcd_write,
.read = pcd_read,
.llseek = pcd_llseek,
.release = pcd_release,
.owner = THIS_MODULE
};
struct class *class_pcd;
struct device *device_pcd;
static int __init pcd_driver_init(void)
{
pr_info("pcd_driver_init\n");
/* 1. Dynamically allocate a device number */
alloc_chrdev_region(&device_number, 0, 1, "pcd");
pr_info("Device number <major>:<minor> = %d:%d\n", MAJOR(device_number), MINOR(device_number));
/* 2. Initialize the cdev structure with fops */
cdev_init(&pcd_cdev, &pcd_fops);
/* 3. Register a device(cdev structure) with VFS */
pcd_cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_add(&pcd_cdev, device_number, 1);
/* creat device class under /sys/class / */
class_pcd = class_create(THIS_MODULE, "pcd_class");
/* populate the sysfs with device information */
device_pcd = device_create(class_pcd, NULL, device_number, NULL, "pcd");
pr_info("Module init was successful\n");
return 0;
}
/* This is module clean-up entry point */
static void __exit pcd_driver_exit(void)
{
pr_info("my hello module exit\n");
device_destroy(class_pcd, device_number);
class_destroy(class_pcd);
cdev_del(&pcd_cdev);
unregister_chrdev_region(device_number, 1);
pr_info("module unloaded\n");
}
/* registration */
module_init(pcd_driver_init);
module_exit(pcd_driver_exit);
/* This is description information about the module */
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("NAME");
MODULE_DESCRIPTION("A pseudo device driver");
在主机上测试pcd(HOST)
使用echo 命令测试向PCD写数据
使用cat命令测试从PCD读数据
在目标板上测试pcd(TARGET)
需要在用户空间写一个应用程序（测试应用）来测试字符设备驱动程序。使用对应目标板的编译工具链编译.c文件成目标板上的可执行文件，有没有.exe后缀都可，自己知道就行。
arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc ./pcd_drv_test.c -o pcd_dev_test
将上面设备驱动编译出的目标板的.ko文件和我们的测试应用文件都放到目标板上。
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
/*
* ./pcd_drv_test -w hello fpn233~
* ./pcd_drv_test -r
*/
int main(int argc, char **argv)
{
int fd;
char buf[512];
int len;
/* 1. 判断参数 */
if (argc < 2)
{
printf("Usage: %s -w <string>\n", argv[0]);
printf(" %s -r\n", argv[0]);
return -1;
}
/* 2. 打开文件 */
fd = open("/dev/pcd", O_RDWR);
if (fd == -1)
{
printf("can not open file /dev/pcd\n");
return -1;
}
/* 3. 写文件或读文件 */
if ((0 == strcmp(argv[1], "-w")) && (argc == 3))
{
len = strlen(argv[2]) + 1;
len = len < 512 ? len : 512;
write(fd, argv[2], len);
}
else
{
len = read(fd, buf, 512);
buf[1023] = '\0';
printf("APP read : %s\n", buf);
}
close(fd);
return 0;
}
