liunx驱动之字符设备的注册

上一篇文章学习了如何编写linux驱动，通过能否正常加载模块进行验证是否成功，有做过liunx应用开发的小伙伴都知道驱动会在‘/dev’目录下以文件的形式展现出来，所以只是能加载驱动模块不能算是完成驱动的开发，而linux驱动分为三类，现在开始学习字符设备的注册。

一、主备材料

因为我主要是学习arm开发板的驱动编写，所以以后的测试中我都是以开发板测试为主，如果有想了解ubuntu下的测试或驱动编写的小伙伴，请阅读上一篇文章linux设备驱动编写入门

开发环境：VMware

操作系统：ubuntu

开发版：湃兔i2S-6UB

库文件：linux开发板或ubuntu的内核源码

二、注册字符设备

经过我的了解注册字符设备主要有两种方法，分为指定设备号注册和自动分配设备号注册两种方式。

1.通过指定字符设备号进行注册

通过指定设备号注册通常称为静态注册，主要注册函数有两个

a.linux2.4版本之前的注册方式是通过register_chrdev函数

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

major：主设备号

name：字符设备名称

fops：file_operations结构体

使用这个函数注册是会有很大的缺点，因为linux的设备号分为主设备号和次设备号，而这个函数注册时会将主设备号的次设备号全部进行注册，所以2.4版本后引入了新的静态函数进行注册。

b.register_chrdev_region()函数

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);

from:注册的指定起始设备编号,比如:MKDEV(100, 0),表示起始主设备号100, 起始次设备号为0

count:需要连续注册的次设备编号个数

*name:字符设备名称

细心的小伙伴会发现注册的函数中缺少了file_operations结构体，没错2.4版本后确实有所改变，具体的注册方式见后续步骤。

c.设备号获取

因为静态注册是通过指定设备号进行注册的，那么设备号应该设备为多少才不会和设备已有的冲突了，为此我们可以通过一个命令查看设备已经在使用的主设备号，我们只需要选择一个没有使用的即可,命令如下

cat /proc/devices

2.通过自动分配设备号进行注册

采用动态的方式获取主设备号，就不需要通过指令查看后在指定具体的设备号，为编写程序提供了便捷，可以通过alloc_chrdev_region函数获取设备号

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

*dev: 存放起始设备编号的指针,当注册成功, *dev就会等于分配到的起始设备编号,可以通过MAJOR()和MINNOR()函数来提取主次设备号

baseminor:次设备号基地址,也就是起始次设备号

count:需要连续注册的次设备编号个数

*name:字符设备名称

3.注销字符设备

因为linux的函数基本是成对存在饿，所以有注册函数便有注销函数，以下是注销函数

int unregister_chrdev(unsigned int major,const char *name)
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)

从函数名既可以看出，unregister_chrdev注销函数对应注册函数是register_chrdev，而register_chrdev_region和alloc_chrdev_region注册函数都是通过register_chrdev_region函数来注销的。

4.cdev使用

通过以上介绍的三个字符设备的注册函数可知、register_chrdev_region和alloc_chrdev_region函数注册时缺少file_operations这个结构体的参数，而使用这两个函数进行注册时需要使用cdev_init和cdev_add函数添加file_operations结构体到系统中，卸载时通过cdev_del将file_operations从系统中卸载。

通过include/linux/cdev.h文件可知cdev结构体的成员,如下所示:

struct cdev {
       struct kobject    kobj;                   // 内嵌的kobject对象
       struct module   *owner;                   //所属模块
       const struct file_operations  *ops;       //操作方法结构体
       struct list_head  list;      　　　　　　  //与 cdev 对应的字符设备文件的 inode->i_devices 的链表头
       dev_t dev;      　　　　　　　　　　　　　　//起始设备编号,可以通过MAJOR(),MINOR()来提取主次设备号
       unsigned int count;              　　     //连续注册次设备号的个数
};

初始化cdev结构体,并将file_operations结构体放入cdev-> ops 中

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)

添加cdev结构体到系统中

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

最后在卸载驱动之前别忘记将cdev结构体从系统中移除

void cdev_del(struct cdev *p)

到此注册字符设备的函数已经介绍完了

三、file_operations结构体

在介绍字符设备时会有一个file_operations结构体的参数，现在开始了接一下file_operations结构体，在include/linux/fs.h文件中我们可以看到结构体的定义，原型如下所示

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
};

通过file_operations结构体可知，字符设备的实现方法都有哪些，实现方式如下所示

static int test_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

static int test_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

static ssize_t test_read(struct file *filp, __user char *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    return 0;
}

static ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    return 0;
}

/*
 *字符设备操作集合
 */
static const struct file_operations test_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = test_open,
    .release = test_release,
    .read = test_read,
    .write = test_write,
};

现在字符设备注册已经完成了，结果上一节设备驱动的源码进行实现。

四、字符设备注册源码

1.使用register_chrdev方式注册的源码如下所示

hell_demo1.c文件

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/cdev.h>

#define HELLO1_NAME "hello1"
#define HELLO1_MAJOR 300

static char readbuf[100];
static char writebuf[100];
static char kerneldata[] = {"hello This is the kernel data"};

static int hello1_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

static int hello1_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

static ssize_t hello1_read(struct file *filp, __user char *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    int ret = 0;
    memcpy(readbuf, kerneldata, sizeof(kerneldata));
    ret = copy_to_user(buf, readbuf, count);
    if(ret == 0) {

    } else {

    }

    return 0;
}

static ssize_t hello1_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    int ret = 0;
    ret = copy_from_user(writebuf, buf, count);
    if(ret == 0) {
        printk("kernel recevdata:%s\r\n", writebuf);
    } else {

    }

    return 0;
}

/*
 *字符设备操作集合
 */
static const struct file_operations hello1_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = hello1_open,
    .release = hello1_release,
    .read = hello1_read,
    .write = hello1_write,
};

static int __init hello1_init(void)
{
    int ret = 0;
    printk("hello1_init\r\n");

    /*注册字符设备*/
    register_chrdev(HELLO1_MAJOR, HELLO1_NAME, &hello1_fops);
    if(ret < 0) {
        printk("hell01 init failed!\r\n");
    } else {
        printk("hello1 init ok");
    }

    return 0;
}

static void __exit hello1_exit(void)
{
    printk("hello1_exit\r\n");

    /*注销字符设备*/
    unregister_chrdev(HELLO1_MAJOR, HELLO1_NAME);
}

/*
 *
 *模块入口与出口函数
 *
 */
module_init(hello1_init);
module_exit(hello1_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("jiaozhu");

2.使用register_chrdev_region和alloc_chrdev_region方式注册的源码如下所示

hell_demo2.c文件

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/cdev.h>

#define HELLO2_NAME "hello2"
#define HELLO2_COUNT 1

/*设备结构体*/
struct hello2_dev{
    struct cdev cdev;   /*字符设备*/
    dev_t devid;        /*设备号*/
    int major;          /*主设备号*/
    int minor;          /*次设备号*/
};

struct hello2_dev hello2;

static char readbuf[100];
static char writebuf[100];
static char kerneldata[] = {"hello This is the kernel data"};

static int hello2_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

static int hello2_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

static ssize_t hello2_read(struct file *filp, __user char *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    int ret = 0;
    memcpy(readbuf, kerneldata, sizeof(kerneldata));
    ret = copy_to_user(buf, readbuf, count);
    if(ret == 0) {

    } else {

    }

    return 0;
}

static ssize_t hello2_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    int ret = 0;
    ret = copy_from_user(writebuf, buf, count);
    if(ret == 0) {
        printk("kernel recevdata:%s\r\n", writebuf);
    } else {

    }

    return 0;
}

/*
 *字符设备操作集合
 */
static const struct file_operations hello2_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = hello2_open,
    .release = hello2_release,
    .read = hello2_read,
    .write = hello2_write,
};

static int __init hello2_init(void)
{
    int ret = 0;
    printk("hello2_init\r\n");

    /*设置设备号*/
    if(hello2.major){
    	hello2.devid = MKDEV(hello2.major, 0);
    	ret = register_chrdev_region(hello2.devid, HELLO2_COUNT, HELLO2_NAME);
    } else {
    	ret = alloc_chrdev_region(&hello2.devid, 0, HELLO2_COUNT, HELLO2_NAME);
    	hello2.major = MAJOR(hello2.devid);
    	hello2.minor = MINOR(hello2.devid);
    }
    if(ret < 0) {
    	printk("hello2 chrdev_region err!\r\n");
    	return -1;
    }
    printk("hello2 major = %d, minor = %d\r\n",hello2.major, hello2.minor);

    /*注册字符设备*/
    hello2.cdev.owner = hello2_fops.owner;
    cdev_init(&hello2.cdev, &hello2_fops);
    ret = cdev_add(&hello2.cdev, hello2.devid, HELLO2_COUNT);

    return 0;
}

static void __exit hello2_exit(void)
{
    printk("hello2_exit\r\n");

    /*删除字符设备*/
    cdev_del(&hello2.cdev);

    /*注销字符设备*/
    unregister_chrdev_region(hello2.devid, HELLO2_COUNT);
}

/*
 *
 *模块入口与出口函数
 *
 */
module_init(hello2_init);
module_exit(hello2_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("jiaozhu");

3.不论使用哪种方式Makefile文件的内容基本一样，只需要更改一下‘obj-m’对应的驱动文件即可，hell_demo2项目的工程如下所示

Makefile文件

KERNELDIR := /home/xfg/linux/imx_6ull/i2x_6ub/system_file/i2SOM-iMX-Linux

CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := hello_demo2.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

为了方便测试，在内核中使用了copy_to_user和copy_from_user函数，因为内核态和用户态之间的空间不能直接访问，所以需要使用这两个函数进行数据的拷贝。

内核空间-->用户空间

unsigned long copy_to_user(void *to, const void *from, unsigned long n)

to:目标地址（用户空间）

from:源地址（内核空间）

n:将要拷贝数据的字节数

用户空间-->内核空间

返回：成功返回0，失败返回没有拷贝成功的数据字节数

unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long n)

to:目标地址（内核空间）

from:源地址（用户空间）

n:将要拷贝数据的字节数

返回：成功返回0，失败返回没有拷贝成功的数据字节数

五、测试

将编译好的.ko文件拷贝到arm开发版的/lib/modules/4.1.43+目录下

make
sudo cp hello_demo2.ko /home/rootfs/lib/modules/4.1.43+ -f

启动开发板加载驱动模块

lsmod
modprobe hello_demo2
lsmod

加载结果如下图所示：



成功加载驱动后，使用cat /proc/devices命令查看设备号并创建设备属性节点

cat /proc/devices
mknod /dev/hello2 c 248 0

创建设备属性节点后会在/dev目录下存在hello2的文件，如下图所示



到此我们的驱动已经编写完成，在下一篇文章中将会编写一个程序对驱动进行验证，有需要的小伙伴下一篇文章见。

六、参考文献

使用register_chrdev_region()系列来注册字符设备：https://www.cnblogs.com/lifexy/p/7827559.html

linux驱动开发--copy_to_user 、copy_from_user函数实现内核空间数据与用户空间数据的相互访问https://blog.csdn.net/xiaodingqq/article/details/80150347