LINUX字符设备驱动程序实例

我是通过UBUNTU10.10测试该驱动程序的，系统内核为linux-2.6.35-22(可使用uname -r 命令来查看当前内核的版本号)

下载安装LINUX内核，需要下载和本机一样版本的内核源码。

1，安装编译内核所需要的软件并编译内核(注：我在root下执行，如果其中有问题，换到普通用户下用sudo试试）

apt-get install build-essential autoconf automake cvs subversion kernel-package libncurses5-dev

用 apt-cache search linux-source 可以知道需要下载什么版本的内核源码，我的是2.6.35

下载安装内核源码 apt-get install linux-source-2.6.35 下载完成后 cd /us/src 可以看见linux-source-2.6.35.tar.bz2,现在解压 tar jxvf linux-2.6.32.25.tar.bz2 cd linux-source-2.6.35 cp /boot/config-`uname -r` ./.config #拷贝目前系统的配置文件 make menuconfig 终端会弹出一个配置界面 最后有两项：load a kernel configuration... (.config) save a kernel configuration... (.config) 选择load a kernel configuration保存，然后在选择save akernel configuration再保存退出，并退出配置环境。 接下来我们开始编译 make #这步需要比较长时间 make bzImage 执行结束后，可以看到在当前目录下生成了一个新的文件: vmlinux, 其属性为-rwxr-xr-x。 make modules /* 编译 模块 */ make modules_install 这条命令能在/lib/modules目录下产生一个目录(2.6.35-22-generic).

2，为系统的include创建链接文件(这步好像不是必需的，默认就是这样的）

cd /usr/include rm -rf asm linux scsi ln -s /usr/src/linux-source-2.6.35/include/asm-generic asm ln -s /usr/src/linux-source-2.6.35/include/linux linux ln -s /usr/src/linux-source-2.6.35/include/scsi scsi

二，驱动程序测试代码

在/root下建一个目录，如:

cd /root

mkdir firstdriver

touch memdev.c #建立文件驱动程序文件

/******************************************************************************

*Name: memdev.c * 字符设备驱动程序的框架结构，该字符设备并不是一个真实的物理设备， * 而是使用内存来模拟一个字符设备 ********************************************************************************/ #include <linux/module.h> #include <linux/types.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/errno.h> #include <linux/mm.h> #include <linux/sched.h> #include <linux/init.h> #include <linux/cdev.h> #include <asm/io.h> #include <asm/system.h> #include <asm/uaccess.h> #include <linux/slab.h> /*刚开始未加入这个，编译出错：error: implicit declaration of function 'kmalloc' */ #include "memdev.h" static mem_major = MEMDEV_MAJOR; module_param(mem_major, int, S_IRUGO); struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/ struct cdev cdev; /*文件打开函数*/ int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp) { struct mem_dev *dev; /*获取次设备号*/ int num = MINOR(inode->i_rdev); if (num >= MEMDEV_NR_DEVS) return -ENODEV; dev = &mem_devp[num]; /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/ filp->private_data = dev; return 0; } /*文件释放函数*/ int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } /*读函数*/ static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos) { unsigned long p = *ppos; unsigned int count = size; int ret = 0; struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/ /*判断读位置是否有效*/ if (p >= MEMDEV_SIZE) return 0; if (count > MEMDEV_SIZE - p) count = MEMDEV_SIZE - p; /*读数据到用户空间*/ if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count)) { ret = - EFAULT; } else { *ppos += count; ret = count; printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p); } return ret; } /*写函数*/ static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos) { unsigned long p = *ppos; unsigned int count = size; int ret = 0; struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/ /*分析和获取有效的写长度*/ if (p >= MEMDEV_SIZE) return 0; if (count > MEMDEV_SIZE - p) count = MEMDEV_SIZE - p; /*从用户空间写入数据*/ if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count)) ret = - EFAULT; else { *ppos += count; ret = count; printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p); } return ret; } /* seek文件定位函数 */ static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence) { loff_t newpos; switch(whence) { case 0: /* SEEK_SET */ newpos = offset; break; case 1: /* SEEK_CUR */ newpos = filp->f_pos + offset; break; case 2: /* SEEK_END */ newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset; break; default: /* can't happen */ return -EINVAL; } if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE)) return -EINVAL; filp->f_pos = newpos; return newpos; } /*文件操作结构体*/ static const struct file_operations mem_fops = { .owner = THIS_MODULE, .llseek = mem_llseek, .read = mem_read, .write = mem_write, .open = mem_open, .release = mem_release, }; /*设备驱动模块加载函数*/ static int memdev_init(void) { int result; int i; dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0); /* 静态申请设备号*/ if (mem_major) result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev"); else /* 动态分配设备号 */ { result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev"); mem_major = MAJOR(devno); } if (result < 0) return result; /*初始化cdev结构*/ cdev_init(&cdev, &mem_fops); cdev.owner = THIS_MODULE; cdev.ops = &mem_fops; /* 注册字符设备 */ cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS); /* 为设备描述结构分配内存*/ mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL); if (!mem_devp) /*申请失败*/ { result = - ENOMEM; goto fail_malloc; } memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev)); /*为设备分配内存*/ for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++) { mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE; mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL); memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE); } return 0; fail_malloc: unregister_chrdev_region(devno, 1); return result; } /*模块卸载函数*/ static void memdev_exit(void) { cdev_del(&cdev); /*注销设备*/ kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/ unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/ } MODULE_AUTHOR("Mac.Zhong"); MODULE_LICENSE("GPL"); module_init(memdev_init); module_exit(memdev_exit);

touch memdev.h #头文件

/************************ *memdev.h ************************/ #ifndef _MEMDEV_H_ #define _MEMDEV_H_ #ifndef MEMDEV_MAJOR #define MEMDEV_MAJOR 88 /*预设的mem的主设备号*/ #endif #ifndef MEMDEV_NR_DEVS #define MEMDEV_NR_DEVS 2 /*设备数*/ #endif #ifndef MEMDEV_SIZE #define MEMDEV_SIZE 4096 #endif /*mem设备描述结构体*/ struct mem_dev { char *data; unsigned long size; }; #endif /* _MEMDEV_H_ */

touch Makefile

Makefile文件的内容如下：

ifneq ($(KERNELRELEASE),) obj-m:=memdev.o else KERNELDIR:=/lib/modules/$(shell uname -r)/build PWD:=$(shell pwd) default: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules clean: rm -rf *.o *.mod.c *.mod.o *.ko endif

三.编译驱动程序模块

在/root/firdriver目录下执行make

make -C /lib/modules/2.6.35-22-generic/build M=/root/firstdriver modules make[1]: Entering directory `/usr/src/linux-headers-2.6.35-22-generic' CC [M] /root/firstdriver/memdev.o /root/firstdriver/memdev.c:17: warning: type defaults to ‘int’ in declaration of ‘mem_major’ /root/firstdriver/memdev.c: In function ‘mem_read’: /root/firstdriver/memdev.c:69: warning: format ‘%d’ expects type ‘int’, but argument 3 has type ‘long unsigned int’ /root/firstdriver/memdev.c: In function ‘mem_write’: /root/firstdriver/memdev.c:97: warning: format ‘%d’ expects type ‘int’, but argument 3 has type ‘long unsigned int’ Building modules, stage 2. MODPOST 1 modules CC /root/firstdriver/memdev.mod.o LD [M] /root/mfirstdriver/memdev.ko make[1]: Leaving directory `/usr/src/linux-headers-2.6.35-22-generic'

ls查看当前目录的内容

root@UBUNTU:~/firstdriver# ls Makefile memdev.h memdev.mod.c memdev.o Module.symvers memdev.c memdev.ko memdev.mod.o modules.order

这里的memdev.ko就是生成的驱动程序模块。

通过insmod命令把该模块插入到内核

root@UBUNTU:~/firstdriver# insmod memdev.ko

查看插入的memdev.ko驱动

root@UBUNTU:~/firstdriver# cat /proc/devices Character devices: 1 mem 4 /dev/vc/0 4 tty 4 ttyS 5 /dev/tty 5 /dev/console 5 /dev/ptmx 88 memdev 6 lp 7 vcs 10 misc .......

可以看到memdev驱动程序被正确的插入到内核当中，主设备号为88，该设备号为memdev.h中定义的#define MEMDEV_MAJOR 88。

如果这里定义的主设备号与系统正在使用的主设备号冲突，比如主设备号定义如下：#define MEMDEV_MAJOR 254，那么在执行insmod命令时，就会出现如下的错误：

root@UBUNTU:~/firstdriver# insmod memdev.ko insmod: error inserting 'memdev.ko': -1 Device or resource busy

四.测试驱动程序

1，首先应该在/dev/目录下创建与该驱动程序相对应的文件节点，使用如下命令创建：

root@UBUNTU:/dev# mknod memdev0 c 88 0

使用ls查看创建好的驱动程序节点文件

root@UBUNTU:/dev# ls -al memdev0 crw-r--r-- 1 root root 260, 0 2010-09-26 17:28 memdev

2，编写如下应用程序，来对驱动程序进行测试。

/****************************************************************************** *Name: memtest.c *Desc: memdev字符设备驱动程序的测试程序。先往memedev设备写入内容，然后再 * 从该设备中把内容读出来。 ********************************************************************************/ #include <stdio.h> int main() { FILE *fp0 = NULL; char Buf[4096]; fp0 = fopen("/dev/memdev0", "r+"); if (fp0 == NULL) { printf("Open Memdev0 Error!\n"); return -1; } else { printf("打开Memdev0成功啦!\n"); } strcpy(Buf, "Mem is char device!"); printf("写入内容BUF: %s \n", Buf); fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0); fseek(fp0, 0, SEEK_SET); strcpy(Buf, "Buf is NULL!"); printf("现在清空BUF: %s \n", Buf); fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0); printf("读回内容BUF: %s \n", Buf); return 0; }

编译并执行该程序

root@UBUNTU:~/firstdriver# gcc -o memtest memtest.c root@UBUNTU:~/firstdriver# ./memtest 打开Memdev0成功啦! 写入内容BUF: Mem is char device! 现在清空BUF: Buf is NULL! 读回内容BUF: Mem is char device!

其实还有一个最简单的测试方法(不需要写测试程序memtest.c)，因为它是用内存模拟的，嘿嘿，这样就可以：

root@UBUNTU:~/firstdriver# echo 'haha shi wo' > /dev/memdev0 root@UBUNTU:~/firstdriver# cat /dev/memdev0 haha shi wo

五.深入小结：LINUX是如何make驱动程序模块的

Linux内核是一种单体内核，但是通过动态加载模块的方式，使它的开发非常灵活 方便。那么，它是如何编译内核的呢？我们可以通过分析它的Makefile入手。以下是 一个简单的hello内核模块的Makefile.

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m:=hello.o

else

KERNELDIR:=/lib/modules/$(shell uname -r)/build

PWD:=$(shell pwd)

default:

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules

clean:

rm -rf *.o *.mod.c *.mod.o *.ko

endif

当我们写完一个hello模块，只要使用以上的makefile。然后make一下就行。假设我们把hello模块的源代码放在/home/examples/hello/下。当我们在这个目录运行make时，make是怎么执行的呢？ LDD3第二章第四节“编译和装载”中只是简略地说到该Makefile被执行了两次，但是具体过程是如何的呢？

首先，由于make 后面没有目标，所以make会在Makefile中的第一个不是以.开头的目标作为默认的目标执行。于是default成为make的目标。make会执行 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules shell是make内部的函数,假设当前内核版本是2.6.35-22,所以$(shell uname -r)的结果是 2.6.35-22 这里，实际运行的是

make -C /lib/modules/2.6.35-22/build M=/home/examples/hello/ modules

/lib /modules/2.6.35-22/build是一个指向内核源代码/usr/src/linux的符号链接。可见，make执行了两次。第一次执行时是读hello模块的源代码所在目录/home/examples/hello/下的Makefile。第二次执行时是执行/usr/src/linux/下的Makefile时.

但是还是有不少令人困惑的问题： 1.这个KERNELRELEASE也很令人困惑，它是什么呢？在/home/examples/hello/Makefile中是没有定义这个变量的，所以起作用的是else…endif这一段。不过，如果把hello模块移动到内核源代码中。例如放到/usr/src/linux/driver/中， KERNELRELEASE就有定义了。在/usr/src/linux/Makefile中有 162 KERNELRELEASE=$(VERSION).$(PATCHLEVEL).$(SUBLEVEL)$(EXTRAVERSION)$(LOCALVERSION)
这时候，hello模块也不再是单独用make编译，而是在内核中用make modules进行 编译。用这种方式，该Makefile在单独编译和作为内核一部分编译时都能正常工作。

2.这个obj-m := hello.o什么时候会执行到呢？ 在执行：

make -C /lib/modules/2.6.35-22/build M=/home/examples/hello/ modules时，make 去/usr/src/linux/Makefile中寻找目标modules: 862 .PHONY: modules 863 modules: $(vmlinux-dirs) $(if $(KBUILD_BUILTIN),vmlinux) 864 @echo ' Building modules, stage 2.'; 865 $(Q)$(MAKE) -rR -f
$(srctree)/scripts/Makefile.modpost

可以看出，分两个stage: 1.编译出hello.o文件。 2.生成hello.mod.o hello.ko 在这过程中，会调用 make -f scripts/Makefile.build obj=/home/examples/hello 而在 scripts/Makefile.build会包含很多文件： 011 -include .config 012 013 include $(if $(wildcard $(obj)/Kbuild), $(obj)/Kbuild, $(obj)/Makefile)
其中就有/home/examples/hello/Makefile 这时 KERNELRELEASE已经存在。 所以执行的是： obj-m:=hello.o

关于make modules的更详细的过程可以在scripts/Makefile.modpost文件的注释 中找到。

如果想查看make的整个执行过程，可以运行make -n。