Linux驱动开发笔记（五）：驱动连接用户层与内核层的文件操作集原理和Demo

前言

  驱动写好后，用户层使用系统函数调用操作相关驱动从而实现与系统内核的关联，本篇主要就是理解清楚驱动如何让用户编程来实现与内核的交互。

 

杂项设备文件操作集

cd /usr/src/linux-headers-4.18.0-15
vi include/linux/fs.h

  搜索到（vi则直接使用“/”）:
  

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 *);
        int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
        __poll_t (*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 *);
        unsigned long mmap_supported_flags;
        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 (*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 (*setfl)(struct file *, unsigned long);
        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);
        ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,
                        loff_t, 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

        int (*clone_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t,
                        u64);
        ssize_t (*dedupe_file_range)(struct file *, u64, u64, struct file *,
                        u64);
} __randomize_layout;

  例如read函数，那么就是打开驱动使用系统read，打开这个设备驱动的句柄，那么就会调用read函数，其他的以此类推，还比较好理解。

 

Linux文件操作集的意义

概述

  Linux一切都是文件，都有对应的打开、关闭和读写等相关操作，而这些操作都是使用打开文件后的句柄来表示，那么函数再根据句柄的类型，如打开的是杂项设备驱动，就会去调用杂项设备操作文件字符集里面对应的函数来执行操作了。
  在编程的时候会使用open打开一个设备节点（可以是文件打开，可以打开设备），这时候返回得到设备节点句柄标识fd（失败是-1），然后使用fd去read、write等各种操作则会相当于调用这个设备驱动里面文件操作集的read、write。
  下面是常用的文件操作。

open函数（实现测试）

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

read函数（实现测试）

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

write函数（实现测试）

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

poll/select函数（本篇没写）

__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

ioctl函数（本篇没写）

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

close函数（实现测试）

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

 

驱动模板准备

  首先复制之前的registerMiscDev的驱动，改个名字为：testFileOpts：

cd ~/work/drive
cp -arf registerMiscDev testFileOpts
cd testFileOpts
make clean
mv registerMiscDev testFileOpts.c

  

   然后修改makefile里面的（obj-m模块名称改下），模板准备好了

gedit Makefile

  

  下面基于testFileOpts.c文件进行注册杂项设备，修改.c文件：

gedit testFileOpts.c

  

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>

#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/fs.h>

struct file_operations misc_fops = {
  .owner = THIS_MODULE,
};

struct miscdevice misc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR, // 这个宏是动态分配次设备号，避免冲突
    .name = "register_hongPangZi_testFileOpt", // 设备节点名称
    .fops = &misc_fops,  // 这个变量记住，自己起的，步骤二使用
};

static int registerMiscDev_init(void)
{
    int ret;
    // 在内核里面无法使用基础c库printf，需要使用内核库printk
    printk("Hello, I’m hongPangZi, registerMiscDev_init\n");
    ret = misc_register(&misc_dev);
    if(ret < 0)
    {
        printk("Failed to misc_register(&misc_dev)\n");
        return -1;
    }
    return 0;
}

static void registerMiscDev_exit(void)
{
    misc_deregister(&misc_dev);
    printk("bye-bye!!!\n");
}

MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(registerMiscDev_init);
module_exit(registerMiscDev_exit);

 

杂项设备添加常用操作集open函数Demo

  注意，要是调用的函数没有写，则不会报错也不会有其他操作反应，所以并不是所有函数都是必须写的。

步骤一：实现open函数

// int (*open) (struct inode *, struct file *);
int misc_open(struct inode * pInode, struct file * pFile)
{
    printk("int misc_open(struct inode * pInode, struct file * pFile)");
    return 0;
}

  

步骤二：（关键）赋值到文件操作集指针

  

步骤三：编译加载驱动

  先编译试试：
  

  然后加载驱动：

sudo insmod tesFileOpts.ko

  

  

  

  这时候，设备节点注册成功了。

步骤四：在程序中调用打开设备节点open

  本步骤是c语言编程，使用linux系统函数打开设备节点：
  新建文件：

vi test.c

  输入代码：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char **argv)
{
  int fd;
  const char devPath[] = "/dev/register_hongPangZi_testFileOpt";
  fd = open(devPath, O_RDWR);
  if(fd < 0)
  {
    printf("fialed to open %s\n", devPath);
    return -1;
  } else{
    printf("Succeed to open %s\n", devPath);
  }
  return 0;
}

  

  编译：

gcc test.c

  

  默认输出就是a.out，下面运行一下：
  

  无法运行，是因为ubuntu对设备需要管理员权限，管理员权限运行：
  

  查看内核打印输出（这里出现没有打印输出，查看“入坑一”）：
  

  至此，从用户编程层如何对设备结点，然后调用到内核层函数就基本清楚了。

 

补充其他函数Demo

补充read、write

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>

#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/fs.h>

// int (*open) (struct inode *, struct file *);
int misc_open(struct inode * pInode, struct file * pFile)
{
    printk("int misc_open(struct inode * pInode, struct file * pFile\n)");
    return 0;
}

// int (*release) (struct inode *, struct file *);
int misc_release(struct inode * pInde, struct file * pFile)
{
    printk("int misc_release(struct inode * pInde, struct file * pFile\n)");
    return 0;
}

// ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t misc_read(struct file * pFile, char __user * pUser, size_t size, loff_t *pLofft)
{
    printk("ssize_t misc_read(struct file * pFile, char __user * pUser, size_t size, loff_t *pLofft)\n");
    return 0;
}

// ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t misc_write(struct file * pFile, const char __user * pUser, size_t size, loff_t *pLofft)
{
    printk("ssize_t misc_write(struct file * pFile, const char __user * pUser, size_t size, loff_t *pLofft)\n");
    return 0;
}

struct file_operations misc_fops = {
  .owner = THIS_MODULE,
  .open = misc_open,
  .release = misc_release,
  .read = misc_read,
  .write = misc_write,
};

struct miscdevice misc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR, // 这个宏是动态分配次设备号，避免冲突
    .name = "register_hongPangZi_testFileOpt", // 设备节点名称
    .fops = &misc_fops,  // 这个变量记住，自己起的，步骤二使用
};

static int registerMiscDev_init(void)
{
    int ret;
    // 在内核里面无法使用基础c库printf，需要使用内核库printk
    printk("Hello, I’m hongPangZi, registerMiscDev_init\n");
    ret = misc_register(&misc_dev);
    if(ret < 0)
    {
        printk("Failed to misc_register(&misc_dev)\n");
        return -1;
    }
    return 0;
}

static void registerMiscDev_exit(void)
{
    misc_deregister(&misc_dev);
    printk("bye-bye!!!\n");
}

MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(registerMiscDev_init);
module_exit(registerMiscDev_exit);

修改test.c测试驱动源码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc, char **argv)
{
  int fd;
  char buf[32] = {0};

  const char devPath[] = "/dev/register_hongPangZi_testFileOpt";
  fd = open(devPath, O_RDWR);
  if(fd < 0)
  {
    printf("Failed to open %s\n", devPath);
    return -1;
  }else{
    printf("Succeed to open %s\n", devPath);
  }

  read(fd, buf, sizeof(buf));
  write(fd, buf, sizeof(buf));

  close(fd);
  printf("exit\n");
  fd = -1;
  return 0;
}

查看输出

  

 

入坑

入坑一：内核未打印open函数

问题

  程序打开设别节点，未打印open函数

原因

  打开函数没有赋值给文件操作集。

解决

  

入坑二：dmesg少了close的release打印

问题

  

测试

  

  

  研究了dmesg，就是没出来，这个不清楚了，后来问了驱动大佬，提醒是可能是换行的问题，后加上可以了。

解决方法