一、字符設備驅動簡介

Linux 應用程序對驅動程序的調用如圖所示：

在 Linux 中一切皆為文件，驅動加載成功以后會在“/dev”目錄下生成一個相應的文件，應用程序通過對這個名為“/dev/xxx”(xxx 是具體的驅動文件名字)的文件進行相應的操作即可實現對硬件的操作。

比如有個叫做 /dev/led 的驅動文件，此文件是 led 燈的驅動文件。應用程序使用 open 函數來打開文件/dev/led，使用完后使用 close 函數關閉 /dev/led 這個文件。open和close就是打開和關閉 led 驅動的函數，如果要點亮或關閉led，那么就使用 write 函數來操作，也就是向此驅動寫入數據，這個數據就是要關閉還是要打開 led 的控制參數。如果要獲取 led 燈的狀態，就用 read 函數從驅動中讀取相應的狀態。

應用程序運行在用戶空間，而 Linux 驅動屬于內核的一部分，因此驅動運行于內核空間。在用戶空間想要實現對內核的操作，如使用 open 函數打開 /dev/led 這個驅動，因為用戶空間不能直接對內核進行操作，因此必須使用一個叫做“系統調用”的方法來實現從用戶空間“陷入”到內核空間，這樣才能實現對底層驅動的操作。

open、close、write 和 read 等這些函數是由 C 庫提供的，在 Linux 系統中，系統調用作為 C 庫的一部分。當我們調用 open 函數的時候流程如圖 40.1.2 所示：

應用程序使用到的函數在具體驅動程序中都有與之對應的函數，比如應用程序中調用了 open 這個函數，那么在驅動程序中也得有一個名為 open 的函數。

每一個系統調用，在驅動中都有與之對應的一個驅動函數，在 Linux 內核文件 include/linux/fs.h 中有個叫做 file_operations 的結構體，此結構體就是 Linux 內核驅動操作函數集合，內容如下：

struct file_operations {

struct module *owner;

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);

ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);

ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);

int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);

unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);

int (*open) (struct inode *, struct file *);

int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);

int (*release) (struct inode *, struct file *);

int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);

int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);

int (*fasync) (int, struct file *, int);

int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);

ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);

unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);

int (*check_flags)(int);

int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);

ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);

ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);

int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);

long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,

  loff_t len);

void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);

#ifndef CONFIG_MMU

unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);

#endif

};

比較重要、常用的函數：

第 2 行：owner 擁有該結構體的模塊的指針，一般設置為 THIS_MODULE。

第 3 行：llseek 函數用于修改文件當前的讀寫位置。

第 4 行：read 函數用于讀取設備文件。

第 5 行：write 函數用于向設備文件寫入(發送)數據。

第 9 行：poll 是個輪詢函數，用于查詢設備是否可以進行非阻塞的讀寫。

第 10 行：unlocked_ioctl 函數提供對于設備的控制功能，與應用程序中的ioctl函數對應。

第 11 行：compat_ioctl 函數與 unlocked_ioctl 函數功能一樣，區別在于在 64 位系統上，32 位的應用程序調用將會使用此函數。在 32 位的系統上運行 32 位的應用程序調用的是 unlocked_ioctl。

第 12 行：mmap 函數用于將設備的內存映射到進程空間中(也就是用戶空間)，一般幀緩沖設備會使用此函數，比如 LCD 驅動的顯存，將幀緩沖(LCD 顯存)映射到用戶空間中以后應用程序就可以直接操作顯存了，就不用在用戶空間和內核空間之間來回復制。

第 14 行：open 函數用于打開設備文件。

第 16 行：release 用于釋放(關閉)設備文件，與應用程序中 close 函數對應。

第 17 行：fasync 函數用于刷新待處理的數據，用于將緩沖區中的數據刷新到磁盤。

第 18 行：aio_fsync 函數與 fasync 函數的功能類似，只是 aio_fsync 是異步刷新待處理的數據。

二、字符設備驅動開發步驟

2.1 驅動模塊的加載和卸載

Linux 驅動有兩種運行方式，第一種就是將驅動編譯進 Linux 內核中，這樣當 Linux 內核啟動的時候就會自動運行驅動程序。第二種就是將驅動編譯成模塊(Linux 下模塊擴展名為.ko)，在 Linux 內核啟動以后使用“insmod”命令加載驅動模塊。

模塊有加載和卸載兩種操作，我們在編寫驅動的時候需要注冊這兩種操作函數，模塊的加載和卸載注冊函數如下：

module_init(xxx_init);   //注冊模塊加載函數

module_exit(xxx_exit);   //注冊模塊卸載函數

module_init 函數用來向 Linux 內核注冊一個模塊加載函數，參數 xxx_init 就是需要注冊的具體函數，當使用“insmod”命令加載驅動的時候，xxx_init 這個函數就會被調用。

module_exit 函數用來向 Linux 內核注冊一個模塊卸載函數，參數 xxx_exit 就是需要注冊的具體函數，當使用“rmmod”命令卸載具體驅動的時候 xxx_exit 函數就會被調用。

字符設備驅動模塊加載和卸載模板如下所示：

/* 驅動入口函數 */

static int __init xxx_init(void)

{

    /* 入口函數具體內容 */

    return 0;

}

/* 驅動出口函數 */

static void __exit xxx_exit(void)

{

    /* 出口函數具體內容 */

}

/* 將上面兩個函數指定為驅動的入口和出口函數 */

module_init(xxx_init);

module_exit(xxx_exit);

第 2 行：定義了個名為 xxx_init 的驅動入口函數，并且使用了“__init”來修飾。

第 9 行：定義了個名為 xxx_exit 的驅動出口函數，并且使用了“__exit”來修飾。

第 15 行：調用函數 module_init 來聲明 xxx_init 為驅動入口函數，當加載驅動的時候 xxx_init 函數就會被調用。

第 16 行：調用函數module_exit來聲明xxx_exit為驅動出口函數，當卸載驅動的時候xxx_exit 函數就會被調用。

驅動編譯完成以后擴展名為.ko，有兩種命令可以加載驅動模塊：insmod 和 modprobe。

insmod 是最簡單的模塊加載命令，此命令用于加載指定的.ko 模塊，比如加載 drv.ko 這個驅動模塊，命令如下：

insmod drv.ko

insmod 命令不能解決模塊的依賴關系，比如 drv.ko 依賴 first.ko 這個模塊，必須先使用 insmod 命令加載 first.ko 模塊，然后再加載 drv.ko 這個模塊。

modprobe 命令會分析模塊的依賴關系，然后會將所有的依賴模塊都加載到內核中。modprobe 命令主要智能在提供了模塊的依賴性分析、錯誤檢查、錯誤報告等功能。modprobe 命令默認會去 /lib/modules/ 目錄中查找模塊，比如使用的 Linux kernel 的版本號為 4.1.15，modprobe 命令默認會到 /lib/modules/4.1.15 這個目錄中查找相應的驅動模塊，一般自己制作的根文件系統中是不會有這個目錄的，需要手動創建。

驅動模塊的卸載使用命令“rmmod”即可，比如要卸載 drv.ko，使用如下命令：

rmmod drv.ko

也可以使用“modprobe -r”命令卸載驅動，比如要卸載 drv.ko，命令如下：

modprobe -r drv.ko

modprobe 命令可以卸載掉驅動模塊所依賴的其他模塊，前提是這些依賴模塊已經沒有被其他模塊所使用，否則就不能使用 modprobe 來卸載驅動模塊。所以對于模塊的卸載，推薦使用 rmmod 命令。

2.2 字符設備注冊與注銷

對于字符設備驅動而言，當驅動模塊加載成功以后需要注冊字符設備，同樣，卸載驅動模塊的時候也需要注銷掉字符設備。字符設備的注冊和注銷函數原型如下所示:

static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops)

static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)

register_chrdev 函數用于注冊字符設備，此函數一共有三個參數，這三個參數的含義如下：

major：主設備號，Linux 下每個設備都有一個設備號，分為主設備號和次設備號。

name：設備名字，指向一串字符串。

fops：結構體 file_operations 類型指針，指向設備的操作函數集合變量。

unregister_chrdev 函數用于注銷字符設備，此函數有兩個參數，這兩個參數含義如下：

major：要注銷的設備對應的主設備號。

name：要注銷的設備對應的設備名。

一般字符設備的注冊在驅動模塊的入口函數 xxx_init 中進行，字符設備的注銷在驅動模塊的出口函數 xxx_exit 中進行。字符設備的注冊和注銷示例代碼如下所示：

static struct file_operations test_fops;

/* 驅動入口函數 */

static int __init xxx_init(void)

{

    /* 入口函數具體內容 */

    int retvalue = 0;

    /* 注冊字符設備驅動 */

    retvalue = register_chrdev(200, 'chrtest', &test_fops);

    if(retvalue < 0){

        /* 字符設備注冊失敗,自行處理 */

    }

    return 0;

}

/* 驅動出口函數 */

static void __exit xxx_exit(void)

{

    /* 注銷字符設備驅動 */

    unregister_chrdev(200, 'chrtest');

}

/* 將上面兩個函數指定為驅動的入口和出口函數 */

module_init(xxx_init);

module_exit(xxx_exit);

2.3 實現設備的具體操作函數

1、對 chrtest 進行打開和關閉操作

設備打開和關閉是最基本的要求，幾乎所有的設備都得提供打開和關閉的功能。因此我們需要實現 file_operations 中的 open 和 release 這兩個函數。

2、對 chrtest 進行讀寫操作

假設 chrtest 設備控制著一段緩沖區(內存)，應用程序通過 read 和 write 這兩個函數對 chrtest 的緩沖區進行讀寫操作，需要實現 file_operations 中的 read 和 write 這兩個函數。

加入 file_operations 結構體變量 test_fops 的初始化操，內容如下：

/* 打開設備 */

static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp)

{

    /* 用戶實現具體功能 */

    return 0;

}

/* 從設備讀取 */

static ssize_t chrtest_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)

{

    /* 用戶實現具體功能 */

    return 0;

}

/* 向設備寫數據 */

static ssize_t chrtest_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)

{

    /* 用戶實現具體功能 */

    return 0;

}

/* 關閉/釋放設備 */

static int chrtest_release(struct inode *inode, struct file *filp)

{

    /* 用戶實現具體功能 */

    return 0;

}

static struct file_operations test_fops = {

    .owner = THIS_MODULE,

    .open = chrtest_open,

    .read = chrtest_read,

    .write = chrtest_write,

    .release = chrtest_release,

};

/* 驅動入口函數 */

static int __init xxx_init(void)

{

    /* 入口函數具體內容 */

    int retvalue = 0;

    /* 注冊字符設備驅動 */

    retvalue = register_chrdev(200, 'chrtest', &test_fops);

    if(retvalue < 0){

        /* 字符設備注冊失敗,自行處理 */

    }

    return 0;

}

/* 驅動出口函數 */

static void __exit xxx_exit(void)

{

    /* 注銷字符設備驅動 */

    unregister_chrdev(200, 'chrtest');

}

/* 將上面兩個函數指定為驅動的入口和出口函數 */

module_init(xxx_init);

module_exit(xxx_exit);

2.4 添加 LICENSE 和作者信息

LICENSE 和作者信息的添加使用如下兩個函數：

MODULE_LICENSE() //添加模塊 LICENSE 信息

MODULE_AUTHOR() //添加模塊作者信息

三、Linux 設備號

3.1 設備號的組成

Linux 中每個設備都有一個設備號，設備號由主設備號和次設備號兩部分組成，主設備號表示某一個具體的驅動，次設備號表示使用這個驅動的各個設備。Linux 提供了

一個 dev_t 的數據類型表示設備號，dev_t 定義在include/linux/types.h 里面，定義如下：

typedef __u32 __kernel_dev_t;

......

typedef __kernel_dev_t dev_t;

其中__u32 定義在文件 include/uapi/asm-generic/int-ll64.h 里面：

typedef unsigned int __u32;

因此 dev_t 是 unsigned int 類型，是一個 32 位的數據類型。這 32 位的數據構成了主設備號和次設備號，其中高 12 位為主設備號，低 20 位為次設備號。

在文件 include/linux/kdev_t.h 中提供了幾個關于設備號的操作函數(本質是宏)，如下所示：

#define MINORBITS 20

#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)

#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))

#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))

#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

第 1 行：宏 MINORBITS 表示次設備號位數，一共是 20 位。

第 2 行：宏 MINORMASK 表示次設備號掩碼。

第 3 行：宏 MAJOR 用于從 dev_t 中獲取主設備號，將 dev_t 右移 20 位即可。

第 4 行：宏 MINOR 用于從 dev_t 中獲取次設備號，取 dev_t 的低 20 位的值。

第 6 行：宏 MKDEV 用于將給定的主設備號和次設備號合成 dev_t 類型的設備號。

3.2 設備號的分配

1、靜態分配設備號

注冊字符設備的時候需要給設備指定一個設備號，這個設備號可以是驅動開發者靜態的指定一個設備號，比如選擇 200 這個主設備號。

靜態分配設備號需要我們檢查當前系統中所有被使用了的設備號，然后挑選一個沒有使用的。

2、動態分配設備號

在注冊字符設備之前先申請一個設備號，系統會自動給你一個沒有被使用的設備號，卸載驅動的時候釋放掉這個設備號即可。

設備號的申請函數如下：

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

函數 alloc_chrdev_region 用于申請設備號，此函數有 4 個參數：

dev：保存申請到的設備號。

baseminor：次設備號起始地址，alloc_chrdev_region 可以申請一段連續的多個設備號，這些設備號的主設備號一樣，但是次設備號不同，次設備號以 baseminor 為起始地址地址開始遞增。一般 baseminor 為 0，也就是說次設備號從 0 開始。

count：要申請的設備號數量。

name：設備名字。

注銷字符設備之后要釋放掉設備號，設備號釋放函數如下：

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

此函數有兩個參數：

from：要釋放的設備號。

count：表示從 from 開始，要釋放的設備號數量。

四、工程創建和模板

4.1、添加頭文件路徑

編寫 Linux 驅動，因此會用到 Linux 源碼中的函數。我們需要在 VSCode 中添加 Linux 源碼中的頭文件路徑。打開 VSCode，按下“Crtl+Shift+P”打開 VSCode 的控制臺，然后輸入 “C/C++: Edit configurations(JSON) ”，打開 C/C++編輯配置文件，如圖 40.4.1.3 所示：

打開以后會自動在.vscode 目錄下生成一個名為 c_cpp_properties.json 的文件，此文件默認內容如下所示：

{

    'configurations': [

        {

            'name': 'Linux',

            'includePath': [

                '${workspaceFolder}/**',

            ],

            'defines': [],

            'compilerPath': '/usr/bin/clang',