字符设备驱动开发

1、字符设备驱动简介

字符设备是 Linux 驱动中最基本的一类设备驱动，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。

先来简单的了解一下 Linux 下的应用程序是如何调用驱动程序的，Linux 应用程序对驱动程序的调用

在 Linux 中一切皆为文件，驱动加载成功以后会在“/dev”目录下生成一个相应的文件，应用程序通过对这个名为“/dev/xxx”(xxx 是具体的驱动文件名字)的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。比如现在有个叫做/dev/led 的驱动文件，此文件是 led 灯的驱动文件。应用程序使用 open 函数来打开文件/dev/led，使用完成以后使用 close 函数关闭/dev/led 这个文件。open 和 close 就是打开和关闭 led 驱动的函数，如果要点亮或关闭 led，那么就使用 write 函数来操作，也就是向此驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是要打开 led 的控制参数。如果要获取 led 灯的状态，就用 read 函数从驱动中读取相应的状态。

应用程序运行在用户空间，而 Linux 驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。当我们在用户空间想要实现对内核的操作，比如使用 open 函数打开/dev/led 这个驱动，因为用户空间不能直接对内核进行操作，因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间“陷入”到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。open、close、write 和 read 等这些函数是由 C 库提供的，在 Linux 系统中，系统调用作为 C 库的一部分。

2、每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数，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

1588 struct file_operations {
1589     struct module *owner;
1590     loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
1591     ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t 
        *);
1592     ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t,
            loff_t *);
1593     ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
1594     ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
1595     int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
1596     unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct 
            *);
1597     long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned
            long);
1598     long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned
            long);
1599     int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
1600     int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
1601     int (*open) (struct inode *, struct file *);
1602     int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
1603     int (*release) (struct inode *, struct file *);
1604     int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
1605     int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
1606     int (*fasync) (int, struct file *, int);
1607     int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
1608     ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t,
            loff_t *, int);
1609     unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long,
            unsigned long, unsigned long, unsigned long);
1610     int (*check_flags)(int);
1611     int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
1612     ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *,
            loff_t *, size_t, unsigned int);
1613     ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct
            pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
1614     int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void
                **);
1615     long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
1616         loff_t len);
1617     void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
1618     #ifndef CONFIG_MMU
1619     unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
1620     #endif
1621 };

简单介绍一下 file_operation 结构体中比较重要的、常用的函数：

第 1589 行，owner 拥有该结构体的模块的指针，一般设置为 THIS_MODULE。

第 1590 行，llseek 函数用于修改文件当前的读写位置。

第 1591 行，read 函数用于读取设备文件。

第 1592 行，write 函数用于向设备文件写入(发送)数据。

第 1596 行，poll 是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。

第 1597 行，unlocked_ioctl 函数提供对于设备的控制功能，与应用程序中的 ioctl 函数对应。

第 1598 行，compat_ioctl 函数与 unlocked_ioctl 函数功能一样，区别在于在 64 位系统上， 32 位的应用程序调用将会使用此函数。在 32 位的系统上运行 32 位的应用程序调用的是 unlocked_ioctl。

第 1599 行，mmap 函数用于将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间)，一般帧缓冲设备会使用此函数，比如 LCD 驱动的显存，将帧缓冲(LCD 显存)映射到用户空间中以后应用程序就可以直接操作显存了，这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。

第 1601 行，open 函数用于打开设备文件。

第 1603 行，release 函数用于释放(关闭)设备文件，与应用程序中的 close 函数对应。第 1604 行，fasync 函数用于刷新待处理的数据，用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。第 1605 行，aio_fsync 函数与 fasync 函数的功能类似，只是 aio_fsync 是异步刷新待处理的数据。

在字符设备驱动开发中最常用的就是上面这些函数，关于其他的函数大家可以查阅相关文档。我们在字符设备驱动开发中最主要的工作就是实现上面这些函数，不一定全部都要实现，但是像 open、release、write、read 等都是需要实现的，当然了，具体需要实现哪些函数还是要看具体的驱动要求。

3、字符设备驱动开发步骤

在 Linux 驱动开发中肯定也是要初始化相应的外设寄存器，这个是毫无疑问的。只是在 Linux 驱动开发中我们需要按照其规定的框架来编写驱动，所以说学 Linux 驱动开发重点是学习其驱动框架。

4、驱动模块的加载和卸载

Linux 驱动有两种运行方式，第一种就是将驱动编译进 Linux 内核中，这样当 Linux 内核启动的时候就会自动运行驱动程序。第二种就是将驱动编译成模块(Linux 下模块扩展名为.ko)，在 Linux 内核启动以后使用“insmod”命令加载驱动模块。在调试驱动的时候一般都选择将其编译为模块，这样我们修改驱动以后只需要编译一下驱动代码即可，不需要编译整个 Linux 代码。而且在调试的时候只需要加载或者卸载驱动模块即可，不需要重启整个系统。总之，将驱动编译为模块最大的好处就是方便开发，当驱动开发完成，确定没有问题以后就可以将驱动编译进 Linux 内核中，当然也可以不编译进 Linux 内核中，具体看自己的需求。

模块有加载和卸载两种操作，我们在编写驱动的时候需要注册这两种操作函数，模块的加载和卸载注册函数如下：

module_init(xxx_init); //注册模块加载函数
module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数

module_init() 函数用来向 Linux 内核注册一个模块加载函数，参数 xxx_init 就是需要注册的具体函数，当使用“insmod”命令加载驱动的时候，xxx_init 这个函数就会被调用。module_exit() 函数用来向 Linux 内核注册一个模块卸载函数，参数 xxx_exit 就是需要注册的具体函数，当使用“rmmod”命令卸载具体驱动的时候 xxx_exit 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：

/* 驱动入口函数 */
static int __init xxx_init(void)
 {
 /* 入口函数具体内容 */
  return 0;
 }
 
 /* 驱动出口函数 */
static void __exit xxx_exit(void)
 {
 /* 出口函数具体内容 */
 }

 /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);

第 2 行，定义了个名为 xxx_init 的驱动入口函数，并且使用了“__init”来修饰。

第 9 行，定义了个名为 xxx_exit 的驱动出口函数，并且使用了“__exit”来修饰。

第 15 行，调用函数 module_init 来声明 xxx_init 为驱动入口函数，当加载驱动的时候 xxx_init 函数就会被调用。

第16行，调用函数module_exit来声明xxx_exit为驱动出口函数，当卸载驱动的时候xxx_exit 函数就会被调用

驱动编译完成以后扩展名为.ko，有两种命令可以加载驱动模块：insmod和modprobe，insmod 是最简单的模块加载命令，此命令用于加载指定的.ko 模块，比如加载 drv.ko 这个驱动模块，命令如下：

insmod drv.ko

insmod 命令不能解决模块的依赖关系，比如 drv.ko 依赖 first.ko 这个模块，就必须先使用 insmod 命令加载 first.ko 这个模块，然后再加载 drv.ko 这个模块。但是 modprobe 就不会存在这个问题，modprobe 会分析模块的依赖关系，然后会将所有的依赖模块都加载到内核中，因此 modprobe 命令相比 insmod 要智能一些。modprobe 命令主要智能在提供了模块的依赖性分析、错误检查、错误报告等功能，推荐使用 modprobe 命令来加载驱动。modprobe 命令默认会去 /lib/modules/目录中查找模块，比如使用的 Linux kernel 的版本号为 4.1.15，因此 modprobe 命令默认会到/lib/modules/4.1.15 这个目录中查找相应的驱动模块，一般自己制作的根文件系统中是不会有这个目录的，所以需要自己手动创建。

驱动模块的卸载使用命令“rmmod”即可，比如要卸载 drv.ko，使用如下命令即可：