一、字符设备概述

Linux 系统中，设备被分为字符设备、块设备和网络设备等。字符设备以字节流的方式进行数据传输，数据的访问是按顺序的，一个字节一个字节地进行读取和写入操作，没有缓冲区。例如，终端（/dev/tty）、鼠标、键盘等设备都是典型的字符设备。

字符设备通过特殊的设备文件来表示。这些设备文件通常位于/dev​目录下。设备文件有主设备号（major number）和次设备号（minor number）。主设备号用于标识设备驱动程序，内核通过主设备号来查找对应的驱动程序；次设备号用于标识同一类型设备中的不同个体。例如，系统中可能有多个串口设备，它们的主设备号相同（表示使用相同的驱动程序），但次设备号不同，用于区分不同的串口。

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二、字符设备驱动开发

1、驱动文件

//添加头文件
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/ide.h>

static char readbuf[100];  // 读缓冲区
static char writebuf[100]; // 写缓冲区
static char message[] = {"This message comes from kernel."};

static int drive_major; //设备号
static struct class *KernelPrint_cls;

//1.5.5 驱动程序的打开，读取，写入，关闭。
static int KernelPrint_open(struct inode *inode, struct file *filp) //打开函数
{
	//本DEMO无需申请资源，此处留白
	printk("-KernelPrint open-\n");
	return 0;
}
static ssize_t KernelPrint_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *fops) //用户读取，内核发送信息
{
	int flag = 0;
	memcpy(readbuf, message, sizeof(message)); //使用memcpy将内核中要发送的内容写入读缓冲区
	flag = copy_to_user(buf, readbuf, count);  //使用copy_to_user函数将读缓冲区的内容发送到用户态
	if (flag == 0)							   //返回0成功，否则失败
	{
		printk("Kernel send data success!\n");
	}
	else
	{
		printk("Kernel send data failed!\n");
	}
	printk("-KernelPrint read-\n");
	return 0;
}
static ssize_t KernelPrint_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *fops) //用户发送，内核读取信息并打印
{
	int flag = 0;
	flag = copy_from_user(writebuf, buf, count); //使用copy_from_user读取用户态发送过来的数据
	if (flag == 0)
	{
		printk(KERN_CRIT "Kernel receive data: %s\n", writebuf);
	}
	else
	{
		printk("Kernel receive data failed!\n");
	}
	printk("-KernelPrint write-\n");
	return 0;
}
static int KernelPrint_release(struct inode *inode, struct file *filp) //释放设备
{
	//由于open函数并没有占用什么资源，因此无需释放
	printk("-KernelPrint release-\n");
	return 0;
}

//1.5.1 驱动文件描述集合
static struct file_operations drive_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = KernelPrint_open,
	.read = KernelPrint_read,
	.write = KernelPrint_write,
	.release = KernelPrint_release,
};

//1.5.2 装载入口函数
static __init int KernelPrint_init(void)
{
	printk("-------^v^-------\n");
	printk("-KernelPrint init-\n");

	//1.5.3 设备的申请
	//申请主设备号
	//参数1----需要的主设备号，>0静态分配， ==0自动分配
	//参数2----设备的描述 信息，体现在cat /proc/devices， 一般自定义
	//参数3----文件描述集合
	//返回值，小于0报错
	drive_major = register_chrdev(0, "KernelPrint", &drive_fops);
	if (drive_major < 0) //判断是否申请成功
	{
		printk("register chrdev faile!\n");
		return drive_major;
	}
	else
	{
		printk("register chrdev ok!\n");
	}


	//1.5.4 
	//自动创建设备节点
	//创建设备的类别
	//参数1----设备的拥有者，当前模块，直接填THIS_MODULE
	//参数2----设备类别的名字，自定义
	//返回值：类别结构体指针，其实就是分配了一个结构体空间
	KernelPrint_cls = class_create(THIS_MODULE, "KernelPrint_class");
	printk("class create ok!\n");

	//创建设备
	//参数1----设备对应的类别
	//参数2----当前设备的父类，直接填NULL
	//参数3----设备节点关联的设备号
	//参数4----私有数据直接填NULL
	//参数5----设备节点的名字
	device_create(KernelPrint_cls, NULL, MKDEV(drive_major, 0), NULL, "KernelPrint_%d", 0);
	printk("device create ok!\n");

	return 0;
}

//1.5.2 卸载入口函数
static __exit void KernelPrint_exit(void)
{
	//1.5.3 设备的注销
	device_destroy(KernelPrint_cls, MKDEV(drive_major, 0)); //删除设备
	class_destroy(KernelPrint_cls);							//删除类
	unregister_chrdev(drive_major, "KernelPrint");			//注销主设备号
	printk("-------^v^-------\n");
	printk("-KernelPrint exit-\n");
}

//申明装载入口函数和卸载入口函数
module_init(KernelPrint_init);
module_exit(KernelPrint_exit);

//添加各类信息
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Popeye");

2、应用文件

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

int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd, retvalue;
	char *filename;
	char readbuf[100], writebuf[100];

	filename = argv[1];

	fd = open(filename, O_RDWR); //打开设备
	if (fd < 0)
	{
		printf("Can't open file %s\n", filename);
		return -1;
	}

	switch (*argv[2]) //对操作数进行解析
	{
	case 'r':
		if (argc != 3) //进行鲁棒性检查
		{
			printf("Unknow operation, use the formate: ./APPNAME /dev/DRIVENAME r to read date from kernel.\n");
			return -1;
		}
		retvalue = read(fd, readbuf, 100);
		if (retvalue < 0) //检查是否读取成功
		{
			printf("Read file %s failed!\n", filename);
		}
		else
		{
			printf("User receive data: %s\n", readbuf);
		}
		break;
	case 'w':
		if (argc != 4) //进行鲁棒性检查
		{
			printf("Unknow operation, use the formate: ./APPNAME /dev/DRIVENAME w \"USERDATE\" to write date to kernel.\n");
			return -2;
		}
		memcpy(writebuf, argv[3], strlen(argv[3])); //将内容拷贝到缓冲区
		retvalue = write(fd, writebuf, 50);			//写数据
		if (retvalue < 0)
		{
			printf("Write file %s failed!\n", filename);
		}
		else
		{
			printf("Write file success!\n");
		}
		break;
	default:
		printf("Unknow Operation: %d\n", *argv[2]);
		break;
	}

	retvalue = close(fd); //关闭设备
	if (retvalue < 0)
	{
		printf("Can't close file %s\n", filename);
		return -1;
	}

	return 0;
}

三、上板验证

安装驱动insmod kernel_print.ko​，查看驱动安装是否成功ls /dev/​，kernel_print内核打印测试./kernel_print_app /dev/KernelPrint_0 w "Popeye"​

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