【转】linux设备驱动程序之简单字符设备驱动

原文网址：http://www.cnblogs.com/geneil/archive/2011/12/03/2272869.html

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：

1、字符设备：是指只能一个字节一个字节读写的设备，不能随机读取设备内存中的某一数据，读取数据需要按照先后数据。字符设备是面向流的设备，常见的字符设备有鼠标、键盘、串口、控制台和LED设备等。
2、块设备：是指可以从设备的任意位置读取一定长度数据的设备。块设备包括硬盘、磁盘、U盘和SD卡等。

　　每一个字符设备或块设备都在/dev目录下对应一个设备文件。linux用户程序通过设备文件（或称设备节点）来使用驱动程序操作字符设备和块设备。

二、字符设备驱动程序基础:
1、主设备号和次设备号（二者一起为设备号）：
　　一个字符设备或块设备都有一个主设备号和一个次设备号。主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序，用来反映设备类型。次设备号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备，用来区分同类型的设备。
　　linux内核中，设备号用dev_t来描述，2.6.28中定义如下：
　　typedef u_long dev_t;
　　在32位机中是4个字节，高12位表示主设备号，低12位表示次设备号。

可以使用下列宏从dev_t中获得主次设备号： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　也可以使用下列宏通过主次设备号生成dev_t:
MAJOR(dev_t dev);　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 MKDEV(int major,int minor);
MINOR(dev_t dev);

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)；

（2）动态分配：

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

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。

（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。

（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。

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；

struct cdev
{
  struct kobject kobj;//内嵌的kobject对象
  struct module *owner;//所属模块
  struct file_operations *ops;//文件操作结构体
  struct list_head list;
  dev_t dev;//设备号,长度为32位，其中高12为主设备号，低20位为此设备号
  unsigned int count;
};

字符设备的注册分为三个步骤：

（1）分配cdev: struct cdev *cdev_alloc(void);
（2）初始化cdev： void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)；
（3）添加cdev： int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

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。

五：字符设备驱动程序分析：

（1）memdev.h

(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!