Linux字符设备驱动编写和测试
一、字符设备结构体
字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动作为linux内核三大驱动设备，字符设备主要完成字节的读写操作，常见的应用有鼠标、键盘等，结构体形式如下所示：
1 struct cdev{ 3 struct kobject kobj; 5 struct module *owner;//所说模块 7 struct file_operations *ops;//字符设备操作方法 9 struct list_head list; 11 dev_t dev; //设备 13 unsigned int count; 15 }
①、cdev结构体中的dev_t表示32位的设备号，12位为主设备号，20位为次设备号，可通过宏定义MAJOR(dev_t dev)和MINOR(dev_t dev)从dev_t中获得主设备号和次设备号。此外，还可以使用宏定义MKDEV(int major, int minor)通过主设备号和次设备号生成dev_t。
②、Linux内核提供了一组函数对字符设备结构体进行操作，可用于操作cdev结构体。
1 void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *); //用于初始化cdev的成员，并建立cdev和file_operation之间的连接 2 struct cdev *cdev_alloc(void);//用于动态申请一个cdev内存 3 void cdev_put(struct cdev *p); 4 int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);//向系统添加一个cdev，完成字符设备的注册，对cdev_add()的调用通常发生在字符设备驱动模块加载函数中 5 void cdev_del(struct cdev *);//删除一个cdev,完成字符设备的注销,对cdev_del()函数的调用则通常发生在字符设备驱动模块卸载函数中
③、调用register_chrdev_region()或alloc_chrdev_region()函数向系统申请设备号，再调用cdev_add()函数向系统注册字符设备。
1 int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name); //已知起始设备号 2 int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name);//位置起始设备号
④、file_operations结构体中的成员函数会在应用程序进行Linux的open()、write()、read()、close()等系统调用时最终被内核调用。
llseek()可以修改一个文件当前的读写位置，并将新位置返回，出错时返回一个负值。
read()从设备中读取数据，成功时返回读取的字节数，出错时返回一个负值。与用户空间应用程序中的ssize_t read（int fd，void*buf，size_t count）和size_t fread（void*ptr，size_t size，size_t nmemb，FILE*stream）是对应。
write()向设备发送数据，成功时返回写入的字节数。如果此函数未被实现，当用户进行write()系统调用时，将得到-EINVAL返回值。与用户空间应用程序中的ssize_t write（int fd，constvoid*buf，size_t count）和size_t fwrite（const void*ptr，size_t size，size_t nmemb，FILE*stream）是对应。
read()和write()如果返回0，则表示end-of-file（EOF）。
unlocked_ioctl()提供设备相关控制命令的实现（既不是读操作，也不是写操作），当调用成功时，返回给调用程序一个非负值。它与用户空间应用程序调用的int fcntl（int fd，int cmd，.../*arg*/）和intioctl（int d，int request，...）对应。
mmap()将设备内存映射到进程的虚拟地址空间中，如果设备驱动未实现此函数，用户进行mmap()系统调用时将获得-ENODEV返回值。这个函数对于帧缓冲等设备特别有意义，帧缓冲被映射到用户空间后，应用程序可以直接访问它而无须在内核和应用间进行内存复制。它与用户空间应用程序中的void*mmap（void*addr，size_t length，int prot，int flags，int fd，off_t offset）函数对应。
⑤、字符设备驱动模块加载与卸载函数如下：
static int __init globalmem_init(void)
static void __exit globalmem_exit(void)
在字符设备驱动模块加载函数中应该实现设备号的申请和cdev的注册，而在卸载函数中应实现设备号的释放和cdev的注销。
二、字符结构体编程
在内核代码的.../drivers/ 目录下，新建一个globalmem文件夹，并在此目录下新建globalmem.c 和相应的Makefile文件
globalmem.c程序如下：
1 #include <linux/module.h> 2 #include <linux/fs.h> 3 #include <linux/init.h> 4 #include <linux/cdev.h> 5 #include <linux/slab.h> 6 #include <linux/uaccess.h> 7 8 #define GLOBALMEM_SIZE 0x1000 9 #define MEM_CLEAR 0x1 10 #define GLOBALMEM_MAJOR 230 11 12 static int globalmem_major = GLOBALMEM_MAJOR; //定义主设备号 13 module_param(globalmem_major, int, S_IRUGO);//模块传参 14 15 struct globalmem_dev { //定义globalmen_dev结构体 16 struct cdev cdev;//字符结构体 17 unsigned char mem[GLOBALMEM_SIZE];//使用内存 18 }; 19 20 struct globalmem_dev *globalmem_devp;//申明globalmem结构对象 21 22 23 //globalmem设备驱动的读函数 24 static ssize_t globalmem_read(struct file *filp, char __user * buf, size_t size, 25 loff_t * ppos) 26 { 27 unsigned long p = *ppos; 28 unsigned int count = size; 29 int ret = 0; 30 struct globalmem_dev *dev = filp->private_data; 31 32 if (p >= GLOBALMEM_SIZE) 33 return 0; 34 if (count > GLOBALMEM_SIZE - p) 35 count = GLOBALMEM_SIZE - p; 36 if (copy_to_user(buf, dev->mem + p, count)) { 37 ret = -EFAULT; 38 } else { 39 *ppos += count; 40 ret = count; 41 printk(KERN_INFO "read %u bytes(s) from %lu\n", count, p); 42 } 43 return ret; 44 } 45 //globalmem设备驱动的写函数 46 static ssize_t globalmem_write(struct file *filp, const char __user * buf, 47 size_t size, loff_t * ppos) 48 { 49 unsigned long p = *ppos; 50 unsigned int count = size; 51 int ret = 0; 52 struct globalmem_dev *dev = filp->private_data; 53 54 55 if (p >= GLOBALMEM_SIZE) 56 return 0; 57 if (count > GLOBALMEM_SIZE - p) 58 count = GLOBALMEM_SIZE - p; 59 60 if (copy_from_user(dev->mem + p, buf, count)) 61 ret = -EFAULT; 62 else { 63 *ppos += count; 64 ret = count; 65 66 printk(KERN_INFO "written %u bytes(s) from %lu\n", count, p); 67 } 68 return ret; 69 } 70 //寻址函数 71 static loff_t globalmem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int orig) 72 { 73 loff_t ret = 0; 74 switch (orig) { 75 case 0: /* 从文件开头位置seek */ 76 if (offset< 0) { 77 ret = -EINVAL; 78 break; 79 } 80 if ((unsigned int)offset > GLOBALMEM_SIZE) { 81 ret = -EINVAL; 82 break; 83 } 84 filp->f_pos = (unsigned int)offset; 85 ret = filp->f_pos; 86 break; 87 case 1: /* 从文件当前位置开始seek */ 88 if ((filp->f_pos + offset) > GLOBALMEM_SIZE) { 89 ret = -EINVAL; 90 break; 91 } 92 if ((filp->f_pos + offset) < 0) { 93 ret = -EINVAL; 94 break; 95 } 96 filp->f_pos += offset; 97 ret = filp->f_pos; 98 break; 99 default: 100 ret = -EINVAL; 101 break; 102 } 103 return ret; 104 } 105 106 static long globalmem_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, 107 unsigned long arg) 108 { 109 struct globalmem_dev *dev = filp->private_data; 110 switch (cmd) { 111 case MEM_CLEAR: 112 memset(dev->mem, 0, GLOBALMEM_SIZE); 113 printk(KERN_INFO "globalmem is set to zero\n"); 114 break; 115 default: 116 return -EINVAL; 117 } 118 119 return 0; 120 } 121 //open函数 122 static int globalmem_open(struct inode *inode, struct file *filp) 123 { 124 filp->private_data = globalmem_devp; 125 return 0; 126 } 127 128 //release函数 129 static int globalmem_release(struct inode *inode, struct file *filp) 130 { 131 return 0; 132 } 133 134 /*定义字符结构体方法*/ 135 static const struct file_operations globalmem_fops = { 136 .owner = THIS_MODULE, 137 .llseek = globalmem_llseek, 138 .read = globalmem_read, 139 .write = globalmem_write, 140 .unlocked_ioctl = globalmem_ioctl, 141 .open = globalmem_open, 142 .release = globalmem_release, 143 }; 144 //字符设备加载函数 145 static void globalmem_setup_cdev(struct globalmem_dev *dev, int index) 146 { 147 int err, devno = MKDEV(globalmem_major, index);//获取设备结构体dev_t 148 149 150 cdev_init(&dev->cdev, &globalmem_fops);//初始化字符设备和字符设备处理方法 151 dev->cdev.owner = THIS_MODULE;//初始化字符设备所属模块 152 err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);//添加一个字符设备 153 if (err) 154 printk(KERN_NOTICE "Error %d adding globalmem%d", err, index); 155 156 } 157 158 159 160 //模块初始化 161 static int __init globalmem_init(void) //初始化模块 162 { 163 int ret; 164 dev_t devno = MKDEV(globalmem_major, 0);//获取字符设备结构体 165 if (globalmem_major) 166 ret = register_chrdev_region(devno, 1, "globalmem");//注册此cdev设备 167 else { 168 ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "globalmem");//申请字符设备cdev空间 169 globalmem_major = MAJOR(devno);//获取主设备号 170 } 171 if (ret < 0) 172 return ret; 173 globalmem_devp = kzalloc(sizeof(struct globalmem_dev), GFP_KERNEL);//分配globalmem结构体内存 174 if (!globalmem_devp) { 175 ret = -ENOMEM; 176 goto fail_malloc; //分配失败择跳转 177 } 178 179 //主次设备的不同 180 globalmem_setup_cdev(globalmem_devp, 0); 181 return 0; 182 fail_malloc: 183 unregister_chrdev_region(devno, 1); 184 return ret; 185 } 186 module_init(globalmem_init); 187 188 189 //模块卸载函数 190 static void __exit globalmem_exit(void) 191 { 192 cdev_del(&globalmem_devp->cdev); 193 kfree(globalmem_devp); 194 unregister_chrdev_region(MKDEV(globalmem_major, 0), 1); 195 } 196 module_exit(globalmem_exit); 197 198 MODULE_AUTHOR("Barry Song <baohua@kernel.org>"); 199 MODULE_LICENSE("GPL v2");
Makefile程序如下：
1 KVERS = $(shell uname -r) 2 # Kernel modules 3 obj-m += globalmem.o 4 5 # Specify flags for the module compilation. 6 #EXTRA_CFLAGS=-g -O0 7 build: kernel_modules 8 kernel_modules: 9 make -C /lib/modules/$(KVERS)/build M=$(CURDIR) modules 10 clean: 11 make -C /lib/modules/$(KVERS)/build M=$(CURDIR) clean
三、字符设备验证
①、在globalmem目录下输入make命令
②、以管理员身份插入模块，在globalmem目录下输入insmod globalmem.ko
③、输入字符到此字符设备中，创建设备节点：mknod /dev/globalmem c 230 0 //230 0 为你创建设备的主设备与次设备号；写入字符串：echo "hello world!">/dev/globalmem ；查看输入信息：cat /dev/globalmem；查看读写情况：dmesg -c globalmem
四、测试验证代码
建立globalmemTest.c测试文件，代码如下：
1 #include<fcntl.h> 2 #include<stdio.h> 3 4 5 int main(void) 6 { 7 char s[] = "Linux Programmer!\n"; 8 char buffer[80]; 9 int fd=open("/dev/globalmem",O_RDWR);//打开globalmem设备，fd返回大于2的数则成功，O_RDWR为权限赋予 10 write(fd,s,sizeof(s)); //将字符串s写入globalmem字符设备中 11 printf("test write %d %s\n",fd,s ); 12 close(fd); //关闭设备 13 fd=open("/dev/globalmem",O_RDWR); 14 read(fd,buffer,sizeof(buffer)); //读取globalmem设备中存储的数据 15 printf("test read %d %s\n",fd,buffer); //输出结果显示 16 return 0; 17 18 }
输入gcc globalmemTest.c a.out，生成a.out，再输入./a.out运行。
