arm-linux字符设备驱动开发之---简单字符设备驱动

一、linux系统将设备分为3类：字符设备、块设备、网络设备。使用驱动程序：

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2、分配设备号（两种方法）：

（1）静态申请：
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)；

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（2）动态分配：

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)；

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注销设备号：

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)；

创建设备文件：
利用cat /proc/devices查看申请到的设备名，设备号。
（1）使用mknod手工创建：mknod filename type major minor
（2）自动创建；

　　利用udev（mdev）来实现设备文件的自动创建，首先应保证支持udev（mdev），由busybox配置。在驱动初始化代码里调用class_create为该设备创建一个class，再为每个设备调用device_create创建对应的设备。

3、字符设备驱动程序重要的数据结构：
（1）struct file：代表一个打开的文件描述符，系统中每一个打开的文件在内核中都有一个关联的struct file。它由内核在open时创建，并传递给在文件上操作的任何函数，直到最后关闭。当文件的所有实例都关闭之后，内核释放这个数据结构。

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（2）struct inode:用来记录文件的物理信息。它和代表打开的file结构是不同的。一个文件可以对应多个file结构，但只有一个inode结构。inode一般作为file_operations结构中函数的参数传递过来。
　　inode译成中文就是索引节点。每个存储设备或存储设备的分区（存储设备是硬盘、软盘、U盘 ... ... ）被格式化为文件系统后，应该有两部份，一部份是inode，另一部份是Block，Block是用来存储数据用的。而inode呢，就是用来存储这些数据的信息，这些信息包括文件大小、属主、归属的用户组、读写权限等。inode为每个文件进行信息索引，所以就有了inode的数值。操作系统根据指令，能通过inode值最快的找到相对应的文件。

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（3）struct file_operations

本部分来源于：http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=20729583&do=blog&id=1884550，感谢chinahhucai的分享。

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三、字符设备驱动程序设计：

1.设备注册：
在linux2.6内核中，字符设备使用struct cdev来描述；

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2.设备操作的实现：file_operations函数集的实现（要明确某个函数什么时候被调用？调用来做什么操作？）
特别注意：驱动程序应用程序的数据交换:
　　驱动程序和应用程序的数据交换是非常重要的。file_operations中的read()和write()函数，就是用来在驱动程序和应用程序间交换数据的。通过数据交换，驱动程序和应用程序可以彼此了解对方的情况。但是驱动程序和应用程序属于不同的地址空间。驱动程序不能直接访问应用程序的地址空间；同样应用程序也不能直接访问驱动程序的地址空间，否则会破坏彼此空间中的数据，从而造成系统崩溃，或者数据损坏。安全的方法是使用内核提供的专用函数，完成数据在应用程序空间和驱动程序空间的交换。这些函数对用户程序传过来的指针进行了严格的检查和必要的转换，从而保证用户程序与驱动程序交换数据的安全性。这些函数有：

unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n);
unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n);
put_user(local,user);
get_user(local,user);

3.设备注销：void cdev_del(struct cdev *p)；

四、字符设备驱动小结：

　　字符设备是3大类设备（字符设备、块设备、网络设备）中较简单的一类设备，其驱动程序中完成的主要工作是初始化、添加和删除cdev结构体，申请和释放设备号，以及填充file_operation结构体中操作函数，并实现file_operations结构体中的read()、write()、ioctl()等重要函数。如图所示为cdev结构体、file_operations和用户空间调用驱动的关系。

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(2)memdev.c

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;        /*记录文件指针偏移位置*/
unsigned int count = size;    /*记录需要读取的字节数*/
int ret = 0;    /*返回值*/
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)    /*要读取的偏移大于设备的内存空间*/
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)     /*要读取的字节大于设备的内存空间*/
count = MEMDEV_SIZE - p;

/*读数据到用户空间:内核空间->用户空间交换数据*/
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)    /*要写入的字节大于设备的内存空间*/
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;      /*增加偏移位置*/
ret = count;      /*返回实际的写入字节数*/

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 */       /*相对文件开始位置偏移*/
newpos = offset;           /*更新文件指针位置*/
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);

/* 申请设备号，当xxx_major不为0时，表示静态指定；当为0时，表示动态申请*/
/* 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);    /*获得申请的主设备号*/
}

if (result < 0)
return result;

/*初始化cdev结构，并传递file_operations结构指针*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;    /*指定所属模块*/
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("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);

(3)应用程序(测试文件)：app-mem.c

#include <stdio.h>

int main()
{
FILE *fp0 = NULL;
char Buf[4096];

/*初始化Buf*/
strcpy(Buf,"Mem is char dev!");
printf("BUF: %s\n",Buf);

/*打开设备文件*/
fp0 = fopen("/dev/memdev0","r+");
if (fp0 == NULL)
{
printf("Open Memdev0 Error!\n");
return -1;
}

/*写入设备*/
fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);

/*重新定位文件位置（思考没有该指令，会有何后果)*/
fseek(fp0,0,SEEK_SET);

/*清除Buf*/
strcpy(Buf,"Buf is NULL!");
printf("BUF: %s\n",Buf);

/*读出设备*/
fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);

/*检测结果*/
printf("BUF: %s\n",Buf);

return 0;

}

测试步骤：

1)cat /proc/devices看看有哪些编号已经被使用，我们选一个没有使用的XXX。

2)insmod memdev.ko

3)通过"mknod /dev/memdev0 c XXX 0"命令创建"/dev/memdev0"设备节点。

4)交叉编译app-mem.c文件，下载并执行：

#./app-mem,显示：

Mem is char dev!
/article/5672738.html
http://www.cnblogs.com/geneil/archive/2011/12/04/2275559.html#undefined
http://my.oschina.net/u/1169027/blog/191538
http://my.oschina.net/uvwxyz/blog/102814
/article/3458389.html 开源中国
http://www.educity.cn/linux/1610167.html
http://wenku.baidu.com/link?url=tlUi_j_YDYnRzlr0CDo3WZuLOWiSUMFGav0_z5jUSDXc4VBUKv9uTV0hK6DxawmDMTK1C4XXAfAxVZiGKK4psh5QtGuXHiqWGw81k6nlB8q
http://www.doc88.com/p-8562943645668.html
http://zhidao.baidu.com/link?url=MwCn7seqLBSKUXS0Z3vfLaoaCkKpKIW6gleFhBwjS5XaB9lQdquZ9jTxCwsFEwSxAk2Tp4jNSLOLfWBVfKNIk_