第10章注册字符设备实验（iTOP-RK3568开发板驱动开发指南）

news2024/7/6 20:11:44

在上一小节中已经对设备号的相关知识进行了讲解，并成功申请到了设备号，那在Linux系统中，设备号是怎样与字符设备进行关联的呢？字符设备又是怎样注册的呢？带着疑问，让我们开始本章节的学习吧。

10.1 注册字符设备

注册字符设备可以分为两个步骤：

1.字符设备初始化

2.字符设备的添加

在本小节将对上述两个步骤所用到的函数和结构体进行讲解。

10.1.1 字符设备初始化

字符设备初始化所用到的函数为cdev_init(…),在对该函数讲解之前，首先对cdev结构体进行介绍。

Linux 内核中将字符设备抽象成一个具体的数据结构 (struct cdev), 我们可以理解为字符设备对象，cdev 记录了字符设备号、内核对象、文件操作file_operations结构体（设备的打开、读写、关闭等操作接口）等信息，struct cdev 结构体定义在“内核源码/include/linux/cdev.h”文件中（在编写驱动程序的时候要加入该文件的引用），如下（图10-1）所示：

struct cdev { 
	struct kobject kobj;                  //内嵌的内核对象.
	struct module *owner;                 //该字符设备所在的内核模块的对象指针.
	const struct file_operations *ops;    //该结构描述了字符设备所能实现的方法，是极为关键的一个结构体.
	struct list_head list;                //用来将已经向内核注册的所有字符设备形成链表.
	dev_t dev;                            //字符设备的设备号，由主设备号和次设备号构成.
	unsigned int count;                   //隶属于同一主设备号的次设备号的个数.
};

图 10-1

关于该结构体参数的注释在上图已经添加，设备初始化所用到的函数为cdev_init(),该函数同样在“内核源码/include/linux/cdev.h”文件中所引用如下（图10-2）所示：

void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);

图10-2

该函数的详细内容在“内核源码/include/fs/char_dev.c”文件中定义，如下（图10-3）所示：

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
{
    memset(cdev, 0, sizeof *cdev);//将整个结构体清零；
    INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);//初始化list成员使其指向自身；
    kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);//初始化kobj成员；
    cdev->ops = fops;//初始化ops成员，建立cdev 和 file_operations之间的连接
}

图 10-3

函数作用：

初始化传入的cdev 类型的结构体，并与自定义的file_operations * 类型的结构体进行链接。

参数含义：

cdev: 要传入的cdev类型结构体，为要初始化的字符设备。

fops：要传入的file_operations * 类型结构体，关于file_operations结构体的相关的知识会在下一章节进行讲解。

**函数返回值：**无返回值。

10.1.2 字符设备的注册

字符设备的注册：

字符设备添加所用到的函数为cdev_add()，该函数在“内核源码/include/linux/cdev.h”文件中所引用，如下（图10-4）所示：

int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);

图 10-4

函数原型：

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

函数作用：

该函数向内核注册一个struct cdev结构体

参数含义：

(1)第一个参数为要添加的struct cdev 类型的结构体

(2)第二个参数为申请的字符设备号

(3)第三个参数为和该设备关联的设备编号的数量。

这两个参数直接赋值给struct cdev 的dev成员和count成员。

**函数返回值：**添加成功返回0，添加失败返回负数。

字符设备的注销：

字符设备删除所用到的函数为cdev_del()，该函数同样在“内核源码/include/linux/cdev.h”文件中所引用，如下（图10-5）所示：

void cdev_del(struct cdev *);

图 10-5

函数原型：

void cdev_del(struct cdev *p)

函数作用：

该函数会向内核删除一个struct cdev 类型结构体

参数含义：

该函数只有一个参数，为要删除的struct cdev 类型的结构体

**函数返回值：**无返回值

至此，关于注册字符设备实验所用到的函数就讲解完成了，在下一小节中将编写注册字符设备代码。

10.2 实验程序的编写

本实验对应的网盘路径为：iTOP-RK3568开发板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568开发板】指南教程\02_Linux驱动配套资料\04_Linux驱动例程\05。

本实验采用动态申请设备号的方式进行设备号的申请，然后对设备进行注册，并将申请到的主设备号和次设备号以及设备注册情况打印到终端上。

编写完成的cdev.c代码如下（图10-6）所示

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/cdev.h>

static dev_t dev_num;//定义dev_t类型（32位大小）的变量dev_num,用来存放设备号
struct cdev cdev_test;//定义cdev结构体类型的变量cdev_test
struct file_operations cdev_test_ops{
	.owner=THIS_MODULE//将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块
};//定义file_operations结构体类型的变量cdev_test_ops

static int __init module_cdev_init(void)//驱动入口函数
{
    int ret;//定义int类型变量ret，进行函数返回值判断
    int major,minor;//定义int类型的主设备号major和次设备号minor
    ret = alloc_chrdev_region(&dev_num,0,1,"chrdev_name");//自动获取设备号，设备名chrdev_name
    if (ret < 0){
        printk("alloc_chrdev_region is error\n");
    }
    printk("alloc_register_region is ok\n");
    major = MAJOR(dev_num);//使用MAJOR()函数获取主设备号
    minor = MINOR(dev_num);//使用MINOR()函数获取次设备号
    printk("major is %d\n",major);
    printk("minor is %d\n",minor);                                         
cdev_init(&cdev_test,&cdev_test_ops);//使用cdev_init()函数初始化cdev_test结构体，并链接到cdev_test_ops结构体
cdev_test.owner = THIS_MODULE;//将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块 
    ret = cdev_add(&cdev_test,dev_num,1);//使用cdev_add()函数进行字符设备的添加
    if(ret < 0 ){
        printk("cdev_add is error\n");
    }
    printk("cdev_add is ok\n");
    return 0;
}

static void __exit module_cdev_exit(void)//驱动出口函数
{
    cdev_del(&cdev_test);//使用cdev_del()函数进行字符设备的删除
    unregister_chrdev_region(dev_num,1);//释放字符驱动设备号 
    printk("module exit \n");
}

module_init(module_cdev_init);//注册入口函数
module_exit(module_cdev_exit);//注册出口函数
MODULE_LICENSE("GPL v2");//同意GPL开源协议
MODULE_AUTHOR("topeet");  //作者信息

编写完成的cdev.c代码如下（图10-6）所示

图 10-6

相较于上一章节实验，本章节的代码去掉了静态申请设备号部分代码，并在申请设备号完成之后注册了相应的字符设备，并在驱动出口函数中添加了相应的字符设备删除代码（相关代码已加粗）。

需要注意的是，字符设备的注册要放在申请字符设备号之后，字符设备的删除要放在释放字符驱动设备号之前。

10.3 运行测试

10.3.1 编译驱动程序

在上一小节中的cdev.c代码同一目录下创建 Makefile 文件，Makefile 文件内容如下（图10-7）所示：

export ARCH=arm64#设置平台架构
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-#交叉编译器前缀
obj-m += cdev.o    #此处要和你的驱动源文件同名
KDIR :=/home/topeet/Linux/linux_sdk/kernel    #这里是你的内核目录                                                                                                                            
PWD ?= $(shell pwd)
all:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules    #make操作
clean:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean    #make clean操作

图 10-7

对于Makefile的内容注释已在上图添加，保存退出之后，来到存放parameter.c和Makefile文件目录下，如下图（图10-8）所示：