大部分学习者的最终目的就是学习 linux驱动开发,linux中的外设驱动可以分为:字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动。
| 字符设备驱动简介
字符设备是 linux 驱动中最基本的一类设备驱动,字符设备就是一个一个字节,按照字节流进行读写操作的设备,读写数据是分先后顺序的。比如最常见的点灯、按键、iic、spi,lcd 等等都是字符设备,这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。
linux 应用程序对驱动程序的调用流程
在 linux 中一切皆为文件,驱动加载成功以后会在“/dev”目录下生成一个相应的文件,应用程序通过对这个名为“/dev/xxx”(xxx 是具体的驱动文件名字)的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。 比如现在有个叫做/dev/led 的驱动文件,此文件是 led 灯的驱动文件。应用程序使用 open 函数来打开文件/dev/led,使用完成以后使用 close 函数关闭/dev/led 这个文件。open和 close 就是打开和关闭 led 驱动的函数,如果要点亮或关闭 led,那么就使用 write 函数来操作,也就是向此驱动写入数据,这个数据就是要关闭还是要打开 led 的控制参数。如果要获取led 灯的状态,就用 read 函数从驱动中读取相应的状态。
应用程序运行在用户空间,而linux驱动属于内核的一部分,因此驱动运行于内核空间。当应用层通过open函数打开/dev/led 这个驱动时,因用户空间不能直接操作内核,因此会使用“系统调用”的方法来从用户空间“陷入”到内核空间,实现对底层驱动的操作。
比如应用程序调用了open这个函数,则在驱动程序中也应有一个对应的open的函数。
linux内核驱动操作函数
每一个系统调用,在驱动中都有与之对应的一个驱动函数,在 linux 内核文件 include/linux/fs.h 中有个叫做 file_operations 的结构体,此结构体就是 linux 内核驱动操作函数集合:
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 *, constchar __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 *, unsignedint, unsignedlong); long (*compat_ioctl) (struct file *, unsignedint, unsignedlong); 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); /*省略若干行...*/};其中常用的函数有以下这几种:
owner:拥有该结构体的模块的指针,一般设置为this_module。
llseek函数:用于修改文件当前的读写位置。
read函数:用于读取设备文件。
write函数:用于向设备文件写入(发送)数据。
poll函数:是个轮询函数,用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。
unlocked_ioctl函数:提供对于设备的控制功能, 与应用程序中的 ioctl 函数对应。
compat_ioctl函数:与 unlocked_ioctl功能一样,区别在于在 64 位系统上,32 位的应用程序调用将会使用此函数。在 32 位的系统上运行 32 位的应用程序调用的是unlocked_ioctl。
mmap函数:用于将将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间),一般帧缓冲设备会使用此函数, 比如 lcd 驱动的显存,将帧缓冲(lcd 显存)映射到用户空间中以后应用程序就可以直接操作显存了,这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。
open函数:用于打开设备文件。
release函数:用于释放(关闭)设备文件,与应用程序中的 close 函数对应。
fasync函数:用于刷新待处理的数据,用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。
aio_fsync函数:与fasync功能类似,只是 aio_fsync 是异步刷新待处理的
linux 驱动有两种运行方式
linux 驱动有两种运行方式,第一种就是将驱动编译进 linux 内核中,这样当 linux 内核启动的时候就会自动运行驱动程序。第二种就是将驱动编译成模块(linux 下模块扩展名为.ko),在linux 内核启动以后使用“insmod”命令加载驱动模块。在驱动开发阶段一般都将其编译为模块,不需要编译整个linux代码,方便调试驱动程序。当驱动开发完成后,根据实际需要,可以选择是否将驱动编译进linux内核中。 linux 设备号 为了方便管理,linux 中每个设备都有一个设备号,设备号由主设备号和次设备号两部分组成,主设备号表示某一个具体的驱动,次设备号表示使用这个驱动的各个设备。linux 提供了一个名为 dev_t 的数据类型表示设备号,dev_t 定义在文件 include/linux/types.h 里面,定义如下:
typedef __u32 __kernel_dev_t;......typedef __kernel_dev_t dev_t;dev_t 其实就是 unsigned int 类型,是一个 32 位的数据类型。这 32 位的数据构成了主设备号和次设备号两部分,其中高 12 位为主设备号,低 20 位为次设备号。因此 linux系统中主设备号范围为 0~4095,所以大家在选择主设备号的时候一定不要超过这个范围。 在文件 include/linux/kdev_t.h 中提供了几个关于设备号的操作函数(本质是宏),如下所示:#define minorbits 20#define minormask ((1u minorbits))#define minor(dev) ((unsigned int) ((dev) & minormask))#define mkdev(ma,mi) (((ma) << minorbits) | (mi))
minorbits:表示次设备号位数,一共20位
minormask:表示次设备号掩码
major:用于从dev_t中获取主设备号,将dev_t右移20位即可
minor:用于从dev_t中获取次设备号,取dev_t的低20位的值即可
mkdev:用于将给定的主设备号和次设备号的值组合成dev_t类型的设备号
设备号的分配有两种方式,第一种是静态分配设备号,需要开发者手动指定设备号,并且要注意不能与已有的重复,一些常用的设备号已经被linux内核开发者给分配掉了,使用“cat /proc/devices”命令可查看当前系统中所有已经使用了的设备号。;第二种是动态分配设备号,静态分配设备号很容易带来冲突问题,linux 社区推荐使用动态分配设备号,在注册字符设备之前先申请一个设备号,系统会自动给你一个没有被使用的设备号,这样就避免了冲突。 设备号的申请函数
/*dev:保存申请到的设备号。baseminor:次设备号起始地址,一般 baseminor 为 0,也就是说次设备号从 0 开始。count:要申请的设备号数量。name:设备名字。*/int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name) 设备号释放函数/*from:要释放的设备号。count:表示从 from 开始,要释放的设备号数量。*/void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
| 字符设备驱动开发模板
加载与卸载
在编写驱动的时候需要注册模块加载和卸载这两种函数:
module_init(xxx_init); //注册模块加载函数 module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数
module_init()用来向linux内核注册一个模块加载函数,参数xxx_init就是需要注册的具体函数,当使用 “insmod” 命令加载驱动的时候,xxx_init这个函数就会被调用。
module_exit()用来向linux内核注册一个模块卸载函数,参数xxx_exit就是需要注册的具体函数,当使用“rmmod”命令卸载具体驱动的时候 xxx_exit函数就会被调用。
字符设备驱动模块加载和卸载模板如下所示:
/* 驱动入口函数 */static int __init xxx_init(void) { /*入口函数内容 */ return0; } /* 驱动出口函数 */static void __exit xxx_exit(void) { /*出口函数内容*/} /*指定为驱动的入口和出口函数 */module_init(xxx_init); module_exit(xxx_exit);
驱动编译完成以后扩展名为.ko, 有两种命令可以加载驱动模块:
insmod:最简单的模块加载命令,用于加载指定的.ko模块,此命令不能解决模块的依赖关系
modprobe:该命令会分析模块的依赖关系,将所有的依赖模块都加载到内核中,因此更智能
modprobe 命令默认会去/lib/modules/目录中查找模块(自制的根文件系统没有这个目录,需要手动创建)
卸载驱动也有两种命令:
rmmod:例如使用rmmod drv.ko来卸载 drv.ko这一个模块
modprobe -r:该命令除了卸载指定的驱动,还卸载其所依赖的其他模块,若这些依赖模块还在被其它模块使用,就不能使用 modprobe来卸载驱动模块!
注册与注销
对于字符设备驱动而言,当驱动模块加载成功以后需要注册字符设备,同样,卸载驱动模块的时候也需要注销掉字符设备。
字符设备的注册函数原型如下所示:
/*major:主设备号name:设备名字,指向一串字符串fops:结构体 file_operations 类型指针,指向设备的操作函数集合变量*/static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,const struct file_operations *fops)
字符设备的注销函数原型如下所示:
/*major:要注销的设备对应的主设备号。name:要注销的设备对应的设备名。*/static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)
一般字符设备的注册在驱动模块的入口函数 xxx_init 中进行,字符设备的注销在驱动模块的出口函数 xxx_exit 中进行。
staticstruct file_operations test_fops;/* 驱动入口函数 */static int __init xxx_init(void) { /* 入口函数具体内容 */ int retvalue = 0; /* 注册字符设备驱动 */ retvalue = register_chrdev(200, chrtest, &test_fops); if(retvalue < 0) { /* 字符设备注册失败, 自行处理 */ } return0; } /* 驱动出口函数 */static void __exit xxx_exit(void) { /* 注销字符设备驱动 */ unregister_chrdev(200, chrtest); } /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */module_init(xxx_init); module_exit(xxx_exit);要注意的一点就是,选择没有被使用的主设备号;// 查看当前已经被使用掉的设备号cat /proc/devices
实现设备的具体操作函数
file_operations 结构体就是设备的具体操作函数,在上图代码中定义了file_operations结构体类型的变量test_fops,但是还没对其进行初始化,也就是初始化其中的 open、release、read 和 write 等具体的设备操作函数。
假设对chrtest这个设备有如下两个要求:
能够实现打开和关闭操作:需要实现 file_operations 中的open和release 这两个函数
能够实现进行读写操作:需要实现 file_operations 中的read和write这两个函数
/*打开设备*/static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp) { /*用户实现具体功能*/ return0; }/*从设备读取*/static ssize_t chrtest_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) { /*用户实现具体功能*/ return0; }/*向设备写数据*/static ssize_t chrtest_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) { /*用户实现具体功能*/ return0; }/*关闭释放设备*/static int chrtest_release(struct inode *inode, struct file *filp) { /*用户实现具体功能*/ return0; }/*文件操作结构体*/staticstruct file_operations test_fops = { .owner = this_module, .open = chrtest_open, .read = chrtest_read, .write = chrtest_write, .release = chrtest_release, }; /*驱动入口函数*/static int __init xxx_init(void) { /*入口函数具体内容*/ int retvalue = 0; /*注册字符设备驱动*/ retvalue = register_chrdev(200, chrtest, &test_fops); if(retvalue < 0) { /*字符设备注册失败*/ } return0; }/*驱动出口函数*/static void __exit xxx_exit(void) { /*注销字符设备驱动*/ unregister_chrdev(200, chrtest); }/*指定为驱动的入口和出口函数*/module_init(xxx_init); module_exit(xxx_exit);
一开始编写了四个函数:chrtest_open、chrtest_read、chrtest_write和 chrtest_release。这四个函数就是 chrtest 设备的 open、read、write 和 release 操作函数。结构体配置就是初始化 test_fops 的 open、read、write 和 release 这四个成员变量。
添加 license 和作者信息 最后需要在驱动中加入 license(许可) 信息和作者信息,其中 license 是必须添加的,否则的话编译的时候会报错,作者信息可以添加也可以不添加。 license 和作者信息的添加使用如下两个函数:
module_license() //添加模块 license 信息module_author() //添加模块作者信息 /* 打开设备 */static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp){ /* 用户实现具体功能 */ return 0;}....../* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */module_init(xxx_init);module_exit(xxx_exit);module_license(gpl);module_author(zuozhongkai); license 采用 gpl 协议,有时候协议是很有必要的,特别是开源的项目,对于常用的协议还是要有一定的了解。
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