Linux字符设备-简单字符设备模型

字符设备

一. 使用字符设备驱动

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1. /安装驱动
系统中,驱动程序通常采用内核模块的程序结构来进行编码。因此,编译/安装一个驱动程序,其实质就是编译/安装一个内核模块。

2. 字符设备文件

通过字符设备文件,应用程序可以使用相应的字符设备驱动程序来控制字符设备。

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创建字符设备文件的方法一般有两种:
1.使用mknod命令
mknod /dev/文件名 c 主设备号 次设备号
2. 使用函数在驱动程序中创建

二. 字符驱动编程模型

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  1. 设备描述结构

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  1. 驱动模型
    系统中,设备的类型非常繁多,如:字符设备,块设备,网络接口设备,USB设备,PCI设备,平台设备,混杂设备……,而设备类型不同,也意味着其对应的驱动程序模型不同,这样就导致了我们需要去掌握众多的驱动程序模型。那么能不能从这些众多的驱动模型中提炼出一些具有共性的规则,则是我们能不能学好驱动的关键。

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1. 设备描述结构

在任何一种驱动模型中,设备都会用内核中的一种结构来描述。我们的字符设备在内核中使用structcdev来描述。
struct cdev {
struct kobject kobj;
struct module *owner;
const struct file_operations *ops; //设备操作集
struct list_head list;
dev_t dev; //设备号
unsigned int count; //设备数
};

1.1 设备号

查看/dev目录下设备号

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1.1 次设备号

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2.1 设备号-操作

内核中使用dev_t类型来定义设备号,dev_t这种类型其实质为32位的unsigned int,其中高12位为主设备号,低20位为次设备号.
问1:如果知道主设备号,次设备号,怎么组合成dev_t类型
答:dev_t dev = MKDEV(主设备号,次设备号)

问2: 如何从dev_t中分解出主设备号?
答: 主设备号 = MAJOR(dev_t dev)
问3: 如何从dev_t中分解出次设备号?
答: 次设备号=MINOR(dev_t dev)

1.1 设备号-分配

如何为设备分配一个主设备号?
静态申请
开发者自己选择一个数字作为主设备号,然后通过函数register_chrdev_region向内核申请使用。缺点:如果申请使用的设备号已经被内核中的其他驱动使用了,则申请失败。
动态分配
使用alloc_chrdev_region由内核分配一个可用的主设备号。
优点:因为内核知道哪些号已经被使用了,所以不会导致分配到已经被使用的号。

1.1 设备号-注销

不论使用何种方法分配设备号,都应该在驱动退出时,使用unregister_chrdev_region
函数释放这些设备号。

1.2 操作函数集

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2.2 操作函数集

Struct file_operations是一个函数指针的集合,定义能在
设备上进行的操作。结构中的函数指针指向驱动中的函数,
这些函数实现一个针对设备的操作, 对于不支持的操作则设
置函数指针为 NULL。例如:
struct file_operations dev_fops = {

.llseek = NULL,
.read = dev_read,
.write = dev_write,
.ioctl = dev_ioctl,
.open = dev_open,
.release = dev_release,
};

2.1 字符设备初始化

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2.1 描述结构-分配

cdev变量的定义可以采用静态和动态两种办法
• 静态分配
struct cdev mdev;
• 动态分配
struct cdev *pdev = cdev_alloc();

2.1 描述结构-初始化

struct cdev的初始化使用cdev_init函数来完成。
cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)

参数:
cdev: 待初始化的cdev结构
fops: 设备对应的操作函数集

2.1 描述结构-注册

字符设备的注册使用cdev_add函数来完成。
cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

参数:
p: 待添加到内核的字符设备结构
dev: 设备号
count: 该类设备的设备个数

2.1 硬件初始化

根据相应硬件的芯片手册,完成初始化。

2.2 实现设备操作

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2.2 手把手带你来分析

分析
file_operations

2.2 设备操作原型

int (*open) (struct inode *, struct file *)
打开设备,响应open系统

int (*release) (struct inode *, struct file *);
关闭设备,响应close系统调用

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int)
重定位读写指针,响应lseek系统调用

ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)
从设备读取数据,响应read系统调用

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)
向设备写入数据,响应write系统调用

2.2 Struct file

在Linux系统中,每一个打开的文件,在内核中都会关联一个struct file,它由内核在打开文件时创建, 在文件关闭后释放。

重要成员:
loff_t f_pos /*文件读写指针*/
struct file_operations *f_op /*该文件所对应的操作*/

2.2 Struct inode

每一个存在于文件系统里面的文件都会关联一个inode 结构,该结构主要用来记录文件物理上的信息。因此, 它和代表打开文件的file结构是不同的。一个文件没有被打开时不会关联file结构,但是却会关联一个inode 结构。
重要成员:
dev_t i_rdev:设备号

3.2 设备操作-open

open设备方法是驱动程序用来为以后的操作完成初始化准备工作的。在大部分驱动程序
中,open完成如下工作:
标明次设备号
启动设备

3.2 设备操作-release

release方法的作用正好与open相反。这个设备方法有时也称为close,它应该:
关闭设备。

3.2 设备操作-read

read设备方法通常完成2件事情:
从设备中读取数据(属于硬件访问类操作)
将读取到的数据返回给应用程序
ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)
参数分析:
filp:与字符设备文件关联的file结构指针, 由内核创建。
buff : 从设备读取到的数据,需要保存到的位置。由read系统调用提供该参数。
count: 请求传输的数据量,由read系统调用提供该参数。
offp: 文件的读写位置,由内核从file结构中取出后,传递进来。

buff参数是来源于用户空间的指针,这类指针都不能被内核代码直接引用,必须使用专门的函数

int copy_from_user(void *to, const void __user *from, int n)
int copy_to_user(void __user *to, const void *from, int n)

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3.2 设备操作-write

write设备方法通常完成2件事情:
从应用程序提供的地址中取出数据将数据写入设备(属于硬件访问类操作)
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)
其参数类似于read

2.3 驱动注销

 udast

当我们从内核中卸载驱动程序的时候,需要使用cdev_del函数来完成字符设备的注销。

先写一个自动分配字符设备号手动分配字符设备节点的例子及

手动安装步骤:

Insmod char_dev.ko

查看字符设备号

cat /proc/devices

 udast

再安装设备节点

mknod /dev/my_chardev c 248 0

然后是测试

./my_char_dev_app 1

内核驱动代码char_dev.c








#include “my_cdev.h”
struct cdev cdev;
dev_t devno;//这里是动态分配设备号

int my_cdev_open(struct inode *node,struct file *filp)
{
    printk(“my_cdev_open sucess!\n”);
    return 0;
}

long my_cdev_ioctl(struct file *filp ,unsigned int cmd ,unsigned long arg)
{
    switch(cmd)
    {
        case LED_ON:
            printk(“LED_ON is set!\n”);
            return 0;
        case LED_OFF:
            printk(“LED_OFF is set!\n”);
            return 0;
        default :
            return -EINVAL;
    }
}

struct file_operations my_cdev_fops=
{
    .open = my_cdev_open,
    .unlocked_ioctl = my_cdev_ioctl,

};

static int my_cdev_init(void)
{
    int ret;
    /**动态分配设备号*/
    ret = alloc_chrdev_region(&devno,0,1,”my_chardev”);
    if(ret)
    {
        printk(“alloc_chrdev_region fail!\n”);
        unregister_chrdev_region(devno,1);
        return ret;
    }
    else
    {
        printk(“alloc_chrdev_region sucess!\n”);
    }
    /**描述结构初始化*/
    cdev_init(&cdev,&my_cdev_fops);
    /**描述结构注册*/
    ret = cdev_add(&cdev,devno,1);
    if(ret)
    {
        printk(“cdev add fail.\n”);
        unregister_chrdev_region(devno,1);
        return ret;
    }
    else
    {
        printk(“cdev add sucess!\n”);
    }
   
    return 0;
}
static void my_cdev_exit(void)
{
    cdev_del(&cdev);
    unregister_chrdev_region(devno,1);
    printk(“my_cdev_exit sucess!\n”);
}
module_init(my_cdev_init);
module_exit(my_cdev_exit);
MODULE_LICENSE(“GPL”);
MODULE_AUTHOR(“YEFEI”);
MODULE_DESCRIPTION(“YEFEI Driver”);

头文件my_cdev.h

#ifndef __MY_CDEV_H__
#define __MY_CDEV_H__

#define LED_MAGIC ‘L'
#define LED_ON _IO(LED_MAGIC,0)
#define LED_OFF _IO(LED_MAGIC,1)

#endif

测试文件my_char_dev_app.c






#include “my_cdev.h”

int main(int argc,char *argv[])
{
    int fd;
    int cmd;

    {
        printf(“Please enter secend param!\n”);
        return 0;
    }
    cmd = atoi(argv[1]);
    fd = open(“/dev/my_chardev”,O_RDWR);

    {
        printf(“Open dev/my_chardev fail!\n”);
        close(fd);
        return 0;
    }
    switch(cmd)
    {
        case 1:
            ioctl(fd,LED_ON);
            break;
        case 2:
            ioctl(fd,LED_OFF);
            break;
        default:
            break;
    }
    close(fd);
    return 0;
}

2016-02-17
21:54:48

转载自:https://www.linuxidc.com/Linux/2016-02/128601.htm

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