Linux 驅(qū)動實(shí)踐：你知道字符設(shè)備驅(qū)動程序的兩種寫法嗎？
混亂的 API 函數(shù)
我在剛開始接觸Linux驅(qū)動的時(shí)候，非常的困擾：注冊一個(gè)字符設(shè)備，怎么有這么多的 API 函數(shù)啊?
參考的每一篇文章中，使用的函數(shù)都不一樣，但是執(zhí)行結(jié)果都是符合預(yù)期的!
比如下面這幾個(gè)：
- register_chrdev(...);
- register_chrdev_regin(...);
- cdev_add(...);
它們的功能都是向系統(tǒng)注冊字符設(shè)備，但是只從函數(shù)名上看，初學(xué)者誰能分得清它們的區(qū)別?!
這也難怪，Linux系統(tǒng)經(jīng)過這么多年的發(fā)展，代碼更新是很正常的事情。
但是，我們參考的文章就沒法做到：很詳細(xì)的把文章中所描述內(nèi)容的背景介紹清楚，往往都是文章作者在自己的實(shí)際工作環(huán)境中，測試某種方法解決了自己的問題，于是就記錄成文。
不同的文章、不同的工作上下文、不同的API函數(shù)調(diào)用，這往往就苦了我們初學(xué)者，特別是我這種有選擇障礙癥的人!
其實(shí)，上面這個(gè)幾個(gè)函數(shù)都是正確的，它們的功能都是類似的，它們是 Linux 系統(tǒng)中不同階段的產(chǎn)物。
舊的 API 函數(shù)
在Linux內(nèi)核代碼2.4版本和早期的2.6版本中，注冊、卸載字符設(shè)備驅(qū)動程序的經(jīng)典方式是：
注冊設(shè)備：
- int register_chrdev(unsigned int major,const char *name,struct file_operations *fops);
參數(shù)1 major：如果為0 - 由操作系統(tǒng)動態(tài)分配一個(gè)主設(shè)備號給這個(gè)設(shè)備;如果非0 - 驅(qū)動程序向系統(tǒng)申請，使用這個(gè)主設(shè)備號;
參數(shù)2 name：設(shè)備名稱;
參數(shù)3 fops：file_operations 類型的指針變量，用于操作設(shè)備;
如果是動態(tài)分配，那么這個(gè)函數(shù)的返回值就是：操作系統(tǒng)動態(tài)分配給這個(gè)設(shè)備的主設(shè)備號。
這個(gè)動態(tài)分配的設(shè)備號，我們要把它記住，因?yàn)樵谄渌腁PI函數(shù)中需要使用它。
卸載設(shè)備：
- int unregister_chrdev(unsigned int major,const char *name)
參數(shù)1 major：設(shè)備的主設(shè)備號，也就是 register_chrdev() 函數(shù)的返回值(動態(tài))，或者驅(qū)動程序指定的設(shè)備號(靜態(tài)方式);
參數(shù)2 name：設(shè)備名稱;
新的 API 函數(shù)
注冊設(shè)備：
- int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
- int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name);
上面這2個(gè)注冊設(shè)備的函數(shù)，其實(shí)對應(yīng)著舊的 API 函數(shù) register_chrdev：把參數(shù) 1 表示的動態(tài)分配、靜態(tài)分配，拆分成2個(gè)函數(shù)而已。
也就是說：
register_chrdev_region(): 靜態(tài)注冊設(shè)備;
alloc_chrdev_region(): 動態(tài)注冊設(shè)備;
這兩個(gè)函數(shù)的參數(shù)含義是：
register_chrdev_region 參數(shù)：
參數(shù)1 from: 注冊指定的設(shè)備號，這是靜態(tài)指定的，例如：MKDEV(200, 0) 表示起始主設(shè)備號 200, 起始次設(shè)備號為 0;
參數(shù)2 count: 驅(qū)動程序指定連續(xù)注冊的次設(shè)備號的個(gè)數(shù)，例如：起始次設(shè)備號是 0，count 為 10，表示驅(qū)動程序?qū)褂?0 ~ 9 這 10 個(gè)次設(shè)備號;
參數(shù)3 name：設(shè)備名稱;
alloc_chrdev_region 參數(shù)：
參數(shù)1 dev: 動態(tài)注冊就是系統(tǒng)來分配設(shè)備號，那么驅(qū)動程序就要提供一個(gè)指針變量來接收系統(tǒng)分配的結(jié)果(設(shè)備號);
參數(shù)2 baseminor: 驅(qū)動程序指定此設(shè)備號的起始值;
參數(shù)3 count: 驅(qū)動程序指定連續(xù)注冊的次設(shè)備號的個(gè)數(shù)，例如：起始次設(shè)備號是 0，count 為 10，表示驅(qū)動程序?qū)褂?0 ~ 9 這 10 個(gè)次設(shè)備號;
參數(shù)4 name：設(shè)備名稱;
補(bǔ)充一下關(guān)于設(shè)備號的內(nèi)容：
這里的結(jié)構(gòu)體 dev_t，用來保存設(shè)備號，包括主設(shè)備號和次設(shè)備號。
它本質(zhì)上是一個(gè) 32 位的數(shù)，其中的 12 位用來表示主設(shè)備號，而其余 20 位用來表示次設(shè)備號。
系統(tǒng)中定義了3宏，來實(shí)現(xiàn)dev_t變量、主設(shè)備號、次設(shè)備號之間的轉(zhuǎn)換：
MAJOR(dev_t dev): 從 dev_t 類型中獲取主設(shè)備號;
MINOR(dev_t dev): 從 dev_t 類型中獲取次設(shè)備號;
MKDEV(int major,int minor): 把主設(shè)備號和次設(shè)備號轉(zhuǎn)換為 dev_t 類型;
卸載設(shè)備：
- void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
參數(shù)1 from: 注銷的設(shè)備號;
參數(shù)2 count: 注銷的連續(xù)次設(shè)備號的個(gè)數(shù);
代碼實(shí)操
下面，我們就用舊的API函數(shù)，一步一步的描述字符設(shè)備驅(qū)動程序的：編寫、加載和卸載過程。
如何使用新的API函數(shù)來編寫字符設(shè)備驅(qū)動程序，下一篇文章再詳細(xì)討論。
以下所有操作的工作目錄，都是與上一篇文章相同的，即：~/tmp/linux-4.15/drivers/。
創(chuàng)建驅(qū)動目錄和驅(qū)動程序
- $ cd linux-4.15/drivers/
- $ mkdir my_driver1
- $ cd my_driver1
- $ touch driver1.c
driver1.c 文件的內(nèi)容如下(不需要手敲，文末有代碼下載鏈接)：
- #include <linux/module.h>
- #include <linux/kernel.h>
- #include <linux/fs.h>
- #include <linux/init.h>
- #include <linux/delay.h>
- #include <linux/uaccess.h>
- #include <linux/ctype.h>
- #include <linux/irq.h>
- #include <linux/io.h>
- #include <linux/device.h>
- static unsigned int major;
- int driver1_open(struct inode *inode, struct file *file)
- {
- printk("driver1_open is called. \n");
- return 0;
- }
- ssize_t driver1_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
- {
- printk("driver1_read is called. \n");
- return 0;
- }
- ssize_t driver1_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
- {
- printk("driver1_write is called. \n");
- return 0;
- }
- static const struct file_operations driver1_ops={
- .owner = THIS_MODULE,
- .open = driver1_open,
- .read = driver1_read,
- .write = driver1_write,
- };
- static int __init driver1_init(void)
- {
- printk("driver1_init is called. \n");
- major = register_chrdev(0, "driver1", &driver1_ops);
- printk("register_chrdev. major = %d\n",major);
- return 0;
- }
- static void __exit driver1_exit(void)
- {
- printk("driver1_exit is called. \n");
- unregister_chrdev(major,"driver1");
- }
- MODULE_LICENSE("GPL");
- module_init(driver1_init);
- module_exit(driver1_exit);
創(chuàng)建 Makefile 文件
- $ touch Makefile
內(nèi)容如下：
- ifneq ($(KERNELRELEASE),)
- obj-m := driver1.o
- else
- KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
- PWD := $(shell pwd)
- default:
- $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
- clean:
- $(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean
- endif
編譯驅(qū)動模塊
- $ make
得到驅(qū)動程序： driver1.ko 。
加載驅(qū)動模塊
在加載驅(qū)動模塊之前，先來看一下系統(tǒng)中，幾個(gè)與驅(qū)動設(shè)備相關(guān)的地方。
先看一下 /dev 目錄下，目前還沒有我們的設(shè)備節(jié)點(diǎn)( /dev/driver1 )。
再來查看一下 /proc/devices 目錄下，也沒有 driver1 設(shè)備的設(shè)備號。
- cat /proc/devices | grep driver1
/proc/devices 文件: 列出字符和塊設(shè)備的主設(shè)備號，以及分配到這些設(shè)備號的設(shè)備名稱。
執(zhí)行如下指令，加載驅(qū)動各模塊:
- $ sudo insmod driver1.ko
通過上一篇文章我們知道，當(dāng)驅(qū)動程序被加載的時(shí)候，通過 module_init(driver1_init); 注冊的函數(shù) driver1_init() 將會被執(zhí)行，那么其中的打印信息就會輸出。
還是通過 dmesg 指令來查看驅(qū)動模塊的打印信息：
- $ dmesg
如果輸入信息太多，可以使用dmesg | tail指令;
此時(shí)，驅(qū)動模塊已經(jīng)被加載了!
來查看一下 /proc/devices 目錄下顯示的設(shè)備號：
可以看到 driver1 已經(jīng)掛載好了，并且它的主設(shè)備號是244。
此時(shí)，雖然已經(jīng)向系統(tǒng)注冊了這個(gè)設(shè)備，并且主設(shè)備號已經(jīng)分配了，但是，在/dev目錄下，還不存在這個(gè)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)，需要我們手動創(chuàng)建：
- sudo mknod -m 660 /dev/driver1 c 244 0
檢查一下設(shè)備節(jié)點(diǎn)是否創(chuàng)建成功：
- $ ls -l /dev
關(guān)于設(shè)備節(jié)點(diǎn)，Linux 的應(yīng)用層有一個(gè) udev 服務(wù)，可以自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn);
也就是：當(dāng)驅(qū)動模塊被加載的時(shí)候，自動在 /dev 目錄下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)。當(dāng)然了，我們需要在驅(qū)動程序中，提前告訴 udev 如何去創(chuàng)建;
下面會介紹：如何自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)。
現(xiàn)在，設(shè)備的驅(qū)動程序已經(jīng)加載了，設(shè)備節(jié)點(diǎn)也被創(chuàng)建好了，應(yīng)用程序就可以來操作(讀、寫)這個(gè)設(shè)備了。
應(yīng)用程序
我們把所有的應(yīng)用程序，放在 ~/tmp/App/ 目錄下。
- $ cd ~/tmp
- $ mkdir -p App/app_driver1
- $ touch app_driver1.c
app_driver1.c 文件的內(nèi)容如下：
- #include <stdio.h>
- #include <unistd.h>
- #include <fcntl.h>
- int main(void)
- {
- int ret;
- int read_data[4] = { 0 };
- int write_data[4] = {1, 2, 3, 4};
- int fd = open("/dev/driver1", O_RDWR);
- if (-1 != fd)
- {
- ret = read(fd, read_data, 4);
- printf("read ret = %d \n", ret);
- ret = write(fd, write_data, 4);
- printf("write ret = %d \n", ret);
- }
- else
- {
- printf("open /dev/driver1 failed! \n");
- }
- return 0;
- }
這里演示的僅僅是通過打印信息來體現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用，并沒有實(shí)際的讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)。
因?yàn)椋x寫數(shù)據(jù)又涉及到復(fù)雜的用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝問題。
應(yīng)用程序準(zhǔn)備妥當(dāng)，接下來就是編譯和測試了：
- $ gcc app_driver1.c -o app_driver1
- $ sudo ./app_driver1
應(yīng)用程序的輸出信息如下：
- app_driver1$ sudo ./app_driver1
- [sudo] password for xxxx: <輸入用戶密碼>
- read ret = 0
- write ret = 0
從返回值來看，成功打開了設(shè)備，并且調(diào)用讀函數(shù)、寫函數(shù)都成功了!
根據(jù)Linux系統(tǒng)的驅(qū)動框架，應(yīng)用層的 open、read、write 函數(shù)被調(diào)用的時(shí)候，驅(qū)動程序中對應(yīng)的函數(shù)就會被執(zhí)行：
- static const struct file_operations driver1_ops={
- .owner = THIS_MODULE,
- .open = driver1_open,
- .read = driver1_read,
- .write = driver1_write,
- };
我們已經(jīng)在驅(qū)動程序的這三個(gè)函數(shù)中打印了信息，繼續(xù)用dmesg命令查看一下：
卸載驅(qū)動模塊
卸載指令：
- $ sudo rmmod driver1
繼續(xù)用dmesg指令來查看驅(qū)動程序中的打印信息：
說明驅(qū)動程序中的 driver1_exit() 函數(shù)被調(diào)用了。
此時(shí)，我們來看一下 /proc/devices 目錄下變化：
可以看到：剛才設(shè)備號為244的 driver1 已經(jīng)被系統(tǒng)卸載了!因?yàn)轵?qū)動程序中的 unregister_chrdev(major,"driver1"); 函數(shù)被執(zhí)行了。
但是，由于 /dev 目錄下的設(shè)備節(jié)點(diǎn) driver1 ，是剛才手動創(chuàng)建的，因此需要我們手動刪除。
- $ sudo rm /dev/driver1
小結(jié)
以上，就是字符設(shè)備的最簡單驅(qū)動程序!
從編寫過程可以看出：Linux系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)好了一套驅(qū)動程序的框架。
我們只需要按照它要求，按部就班地把每一個(gè)函數(shù)或者是結(jié)構(gòu)體，注冊到系統(tǒng)中就可以了。
自動在 /dev 目錄下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)
在上面的操作過程中，設(shè)備節(jié)點(diǎn) /dev/driver1 是手動創(chuàng)建的。
Linux 系統(tǒng)的應(yīng)用層提供了 udev 這個(gè)服務(wù)，可以幫助我們自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)。我們現(xiàn)在就來把這個(gè)功能補(bǔ)上。
修改驅(qū)動程序
為了方便比較，添加的代碼全部用宏定義 UDEV_ENABLE 控制起來。
driver1.c代碼中，有 3 處變化：
1. 定義 2 個(gè)全局變量
#ifdef UDEV_ENABLE
static struct class *driver1_class;
static struct device *driver1_dev;
#endif
2. driver1_init() 函數(shù)
static int __init driver1_init(void)
{
printk("driver1_init is called. \n");
major = register_chrdev(0, "driver1", &driver1_ops);
printk("register_chrdev. major = %d\n",major);
#ifdef UDEV_ENABLE
driver1_class = class_create(THIS_MODULE, "driver1");
driver1_dev = device_create(driver1_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "driver1");
#endif
return 0;
}
3. driver1_exit() 函數(shù)
static void __exit driver1_exit(void)
{
printk("driver1_exit is called. \n");
#ifdef UDEV_ENABLE
class_destroy(driver1_class);
#endif
unregister_chrdev(major,"driver1");
}
代碼修改之后(也可以直接下載我放在網(wǎng)盤里的源代碼)，重新編譯驅(qū)動模塊：
$ make
生成driver1.ko驅(qū)動模塊，然后加載它：
先確定一下：/proc/devices，/dev 目錄下，已經(jīng)沒有剛才測試的設(shè)備了;
為了便于查看驅(qū)動程序中的打印信息，最好把 dmesg 輸出的打印信息清理一下(指令：sudo dmesg -c);
$ sudo insmod driver1.ko
按照剛才的操作流程，我們需要來驗(yàn)證3個(gè)信息：
(1) 看一下驅(qū)動程序的打印信息(指令：dmesg):
圖片
(2) 看一下 /proc/devices 下的設(shè)備注冊情況：
圖片
(3) 看一下 /dev 下，是否自動創(chuàng)建了設(shè)備節(jié)點(diǎn)：
圖片
通過以上3張圖片，可以得到結(jié)論：驅(qū)動程序正確加載了，設(shè)備節(jié)點(diǎn)被自動創(chuàng)建了!
下面，就應(yīng)該是應(yīng)用程序登場測試了，代碼不用修改，直接執(zhí)行即可：
$ sudo ./app_driver1
[sudo] password for xxx: <輸入用戶密碼>
read ret = 0
write ret = 0
應(yīng)用層的函數(shù)返回值正確!
再看一下 dmesg 的輸出信息：
完美!
代碼下載
文中的所有代碼，已經(jīng)放在網(wǎng)盤中了。
