1. 字符設備驅動簡介

字符設備是Linux驅動中最基本的一類設備驅動，字符設備就是一個一個字節，按照字節流進行讀寫操作的設備，讀寫數據是分先后順序的。 比如常見的點燈、按鍵、IIC、SPI、LCD 等等都是字符設備，這些設備的驅動就叫做字符設備驅動。

Linux驅動基本原理 ：Linux中一切皆為文件，驅動加載成功后會在/dev目錄下生成一個相應的文件，應用程序通過對這個名為/dev/xxx的文件進行相應的操作即可實現對硬件的操作。

比如LED驅動，會有/dev/led驅動文件，應用程序使用open函數來打開該文件； 若要點亮或關閉led，就使用write函數寫入開關值； 若要獲取led燈的狀態，就用read函數從驅動文件中讀取相應的狀態； 使用完成后使用close函數關閉該驅動文件。

Linux軟件從上到下可分為4層結構，如下圖左示。 以控制LED為例，具體過程如下圖右示：

每個系統調用，在驅動中都有與之對應的驅動函數，內核include/linux/fs.h文件中有個file_operations結構體，就是Linux內核驅動操作函數集合：

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 *, const char __user *, size_t, loff_t *);
  ......
  ......
};

Linux驅動運行方式有以下兩種：

• 將驅動編譯進內核中， 當Linux內核啟動時就會自動運行驅動程序
• 將驅動編譯成模塊， 在內核啟動后使用insmod命令加載驅動模塊

在驅動開發階段一般都將其編譯為模塊，不需要編譯整個Linux代碼，方便調試驅動程序。 當驅動開發完成后，根據實際需要，可以選擇是否將驅動編譯進Linux內核中。

2. Linux設備號

2.1 設備號的組成

Linux中每個設備都有一個設備號，由主設備號和次設備號兩部分組成：

• 主設備號表示某一個具體的驅動
• 次設備號表示使用這個驅動的各個設備

Linux 提供了名為dev_t的數據類型表示設備號，其本質是32位的unsigned int數據類型，其中高12位為主設備號，低20位為次設備號，因此Linux中主設備號范圍為0~4095

在文件include/linux/kdev_t.h中提供了幾個關于設備號操作的宏定義：

#define MINORBITS 20
#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)
#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

• MINORBITS：表示次設備號位數，一共20位
• MINORMASK：表示次設備號掩碼
• MAJOR：用于從dev_t中獲取主設備號，將dev_t右移20位即可
• MINOR：用于從dev_t中獲取次設備號，取dev_t的低20位的值即可
• MKDEV：用于將給定的主設備號和次設備號的值組合成dev_t類型的設備號

2.2 主設備號的分配

主設備號的分配包括靜態分配和動態分配。 靜態分配需要手動指定設備號，并且要注意不能與已有的重復，一些常用的設備號已經被Linux內核開發者給分配掉了，可使用cat /proc/devices命令查看當前系統中所有已經使用了的設備號。

動態分配是在注冊字符設備之前先申請一個設備號，系統會自動分配一個沒有被使用的設備號， 這樣就避免了沖突。 在卸載驅動的時候釋放掉這個設備號即可。

設備號的申請函數

//設備號申請函數
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
// dev：保存申請到的設備號
// baseminor：次設備號起始地址
// count：要申請的設備號數量
// name：設備名字

設備號的釋放函數

//設備號釋放函數
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
// from：要釋放的設備號
// count：表示從 from 開始，要釋放的設備號數量

3. 字符設備驅動開發模板

3.1 加載與卸載

在編寫驅動的時候需要注冊模塊加載和卸載這兩種函數：

module_init(xxx_init);    //注冊模塊加載函數
module_exit(xxx_exit);    //注冊模塊卸載函數

module_init()：向內核注冊一個模塊加載函數，參數xxx_init就是需要注冊的具體函數，當使用insmod命令加載驅動時，xxx_init函數就會被調用

module_exit()：向內核注冊一個模塊卸載函數，參數xxx_exit就是需要注冊的具體函數，當使用rmmod命令卸載驅動時，xxx_exit函數就會被調用

字符設備驅動模塊加載和卸載模板如下所示：

/* 驅動入口函數 */
staticint __init xxx_init(void)
{
/*入口函數具體內容*/
  return0;
}

/* 驅動出口函數 */
staticvoid __exit xxx_exit(void)
{
/*出口函數具體內容*/
}

/* 將上面兩個函數指定為驅動的入口和出口函數 */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);

驅動編譯完成以后擴展名為.ko，有兩種命令可以加載驅動模塊：

• insmod：最簡單的模塊加載命令，但不能解決模塊的依賴關系
• modprobe：會分析模塊的依賴關系，將所有的依賴模塊都加載到內核中

卸載驅動也有兩種命令：

• rmmod：最簡單的模塊卸載命令
• modprobe -r：除了卸載指定的驅動，還卸載其所依賴的其他模塊，若依賴模塊還在被其它模塊使用，就不能使用該命令來卸載驅動模塊

3.2 注冊與注銷

對于字符設備驅動而言，當驅動模塊加載成功以后需要注冊字符設備，卸載驅動模塊時也要注銷掉字符設備。 字符設備的注冊和注銷函數原型如下所示：

static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops)
//major：主設備號
//name：設備名字，指向一串字符串
//fops：結構體 file_operations 類型指針，指向設備的操作函數集合變量
static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)
//major：要注銷的設備對應的主設備號
//name：要注銷的設備對應的設備名

一般字符設備的注冊在驅動模塊的入口函數xxx_init中進行，字符設備的注銷在驅動模塊的出口函數xxx_exit中進行

//定義了一個file_operations結構體變量，就是設備的操作函數集合
static struct file_operations test_fops;

/* 驅動入口函數 */
static int __init xxx_init(void){
  /* 入口函數具體內容 */
  int retvalue = 0;
  /* 注冊字符設備驅動 */
  retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops);
  if(retvalue < 0){
    /* 字符設備注冊失敗,自行處理 */
  }
  return 0;
}

/* 驅動出口函數 */
static void __exit xxx_exit(void){
  /* 注銷字符設備驅動 */
  unregister_chrdev(200, "chrtest");
}

/* 將上面兩個函數指定為驅動的入口和出口函數 */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);

3.3 實現設備的具體操作函數

file_operations結構體就是設備的具體操作函數。 假設對chrtest這個設備有如下兩個要求：

• 能夠實現打開和關閉操作：需要實現open和release這兩個函數
• 能夠實現進行讀寫操作：需要實現read和write這兩個函數

實現file_operations中的這四個函數，完成后的內容框架如下所示：

/* 打開設備 */
static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp){
  /* 用戶實現具體功能 */
  return 0;
}

/* 從設備讀取 */
static ssize_t chrtest_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt){
  /* 用戶實現具體功能 */
  return 0;
}

/* 向設備寫數據 */
static ssize_t chrtest_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt){
  /* 用戶實現具體功能 */
  return 0;
}

/* 關閉/釋放設備 */
static int chrtest_release(struct inode *inode, struct file *filp){
  /* 用戶實現具體功能 */
  return 0;
}

然后是驅動的入口(init)和出口(exit) 函數:

//定義了一個file_operations結構體變量test_fops，就是設備的操作函數集合
static struct file_operations test_fops = {
  .owner = THIS_MODULE,
  .open = chrtest_open,
  .read = chrtest_read,
  .write = chrtest_write,
  .release = chrtest_release,
}

/* 驅動入口函數 */
static int __init xxx_init(void){
  /* 入口函數具體內容 */
  int retvalue = 0;
  /* 注冊字符設備驅動 */
  retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops);
  if(retvalue < 0){
    /* 字符設備注冊失敗,自行處理 */
  }
  return 0;
}

/* 驅動出口函數 */
static void __exit xxx_exit(void){
  /* 注銷字符設備驅動 */
  unregister_chrdev(200, "chrtest");
}

/* 將上面兩個函數指定為驅動的入口和出口函數 */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);

3.4 添加LICENSE和作者信息

LICENSE是必須添加的，否則編譯時會報錯，作者信息可加可不加

MODULE_LICENSE() //添加模塊 LICENSE 信息
MODULE_AUTHOR() //添加模塊作者信息

綜上所述，字符設備驅動開發流程如下圖所示：

4. 字符設備驅動開發實驗

下面以正點原子的IMX6ULL開發板為平臺，完整的編寫一個虛擬字符設備驅動模塊。 chrdevbase不是實際存在的一個設備，只是為了學習字符設備的開發的流程

4.1 驅動程序編寫

宏定義及變量定義

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define CHRDEVBASE_MAJOR    200		 /* 主設備號 */
#define CHRDEVBASE_NAME	    "chrdevbase" /* 設備名   */

static char readbuf[100];		 /* 讀緩沖區 */
static char writebuf[100];		 /* 寫緩沖區 */
static char kerneldata[] = {"kernel data!"};

打開、關閉、讀取、寫入函數實現

staticintchrdevbase_open(structinode*inode,structfile*filp){
  printk("chrdevbase open!\\r\\n");
  return0;
}

staticssize_tchrdevbase_read(structfile*filp,char __user *buf,size_t cnt,loff_t*offt){
  int retvalue =0;
  /* 向用戶空間發送數據 */
  memcpy(readbuf, kerneldata,sizeof(kerneldata));
  retvalue =copy_to_user(buf, readbuf, cnt);
  if(retvalue ==0){
    printk("kernel senddata ok!\\r\\n");
  }else{
    printk("kernel senddata failed!\\r\\n");
  }
	
  printk("chrdevbase read!\\r\\n");
  return0;
}

staticssize_tchrdevbase_write(structfile*filp,constchar __user *buf,size_t cnt,loff_t*offt){
  int retvalue =0;
  /* 接收用戶空間傳遞給內核的數據并且打印出來 */
  retvalue =copy_from_user(writebuf, buf, cnt);
  if(retvalue ==0){
    printk("kernel recevdata:%s\\r\\n", writebuf);
  }else{
    printk("kernel recevdata failed!\\r\\n");
  }
	
  printk("chrdevbase write!\\r\\n");
  return0;
}

staticintchrdevbase_release(structinode*inode,structfile*filp){
printk("chrdevbase release！\\r\\n");
return0;
}

驅動加載與注銷

staticstructfile_operations chrdevbase_fops ={
  .owner = THIS_MODULE,	
  .open = chrdevbase_open,
  .read = chrdevbase_read,
  .write = chrdevbase_write,
  .release = chrdevbase_release,
};

/*驅動入口函數  */
staticint __init chrdevbase_init(void){
  int retvalue =0;
  retvalue =register_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME,&chrdevbase_fops);
  if(retvalue <0){
    printk("chrdevbase driver register failed\\r\\n");
  }
  printk("chrdevbase init!\\r\\n");
  return0;
}

/* 驅動出口函數 */
staticvoid __exit chrdevbase_exit(void){
unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME);
printk("chrdevbase exit!\\r\\n");
}

/* 將上面兩個函數指定為驅動的入口和出口函數 */
module_init(chrdevbase_init);
module_exit(chrdevbase_exit);

LICENSE與作者

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("andyxi");

4.2 應用程序編寫

應用程序運行在用戶空間，其通過輸入相應的指令來對chrdevbase設備執行讀或者寫操作。 下面將程序進行分段介紹

頭文件和main函數入口，以及main函數的傳參處理

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"

static char usrdata[] = {"usr data!"};

int main(int argc, char *argv[]){
  int fd, retvalue;
  char *filename;
  char readbuf[100], writebuf[100];

  if(argc != 3){
    printf("Error Usage!\\r\\n");
    return -1;
  }

  filename = argv[1];

  /* 打開驅動文件 */
  fd  = open(filename, O_RDWR);
  if(fd < 0){
    printf("Can't open file %s\\r\\n", filename);
    return -1;
  }

對 chrdevbase 設備的具體操作

if(atoi(argv[2])==1){/* 從驅動文件讀取數據 */
    retvalue =read(fd, readbuf,50);
    if(retvalue <0){
      printf("read file %s failed!\\r\\n", filename);
    }else{
      /* 讀取成功，打印出讀取成功的數據 */
      printf("read data:%s\\r\\n",readbuf);
    }
  }

  if(atoi(argv[2])==2){
    /* 向設備驅動寫數據 */
    memcpy(writebuf, usrdata,sizeof(usrdata));
    retvalue =write(fd, writebuf,50);
    if(retvalue <0){
      printf("write file %s failed!\\r\\n", filename);
    }
  }

關閉設備

/* 關閉設備 */
  retvalue = close(fd);
  if(retvalue < 0){
    printf("Can't close file %s\\r\\n", filename);
    return -1;
  }
  return 0;
}

4.3 程序編譯

程序編譯包括驅動程序編譯和應用程序編譯兩個部分

驅動程序編譯： 將驅動程序編譯為.ko模塊

創建Makefile文件

# KERNELDIR：開發板所使用的Linux內核源碼目錄
KERNELDIR := /home/andyxi/linux/kernel/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_andyxi
# CURRENT_PATH：當前路徑，通過運行“pwd”命令獲取
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
# obj-m：將 chrdevbase.c 這個文件編譯為chrdevbase.ko模塊
obj-m := chrdevbase.o

build: kernel_modules
# -C 表示切換工作目錄到KERNERLDIR目錄
# M 表示模塊源碼目錄
# modules 表示編譯模塊
kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

輸入make命令即可編譯，編譯成功以后就會生成一個叫做 chrdevbaes.ko 的文件，此文件就是 chrdevbase 設備的驅動模塊

注意：若直接make編譯可能會出錯，是因為kernel中沒有指定編譯器和架構，使用了默認的x86平臺編譯報錯。 解決辦法就是在內核頂層Makefile中，直接定義ARCH和CROSS_COMPILE這兩個的變量值為 arm 和 arm-linux-gnueabihf- 即可

應用程序編譯： 無需內核參與，直接編譯即可

arm-linux-gnueabihf-gcc chrdevbaseApp.c -o chrdevbaseApp

使用file命令，查看生成的chrdevbaseApp文件信息，如下圖示，文件是32位LSB格式，ARM版本的，因此只能在ARM芯片下運行

4.4 運行測試

為了方便測試，Linux系統選擇通過TFTP從網絡啟動，并且使用NFS掛載網絡根文件系統。 確保開發板系統移植成功，能正常啟動。 具體的實現方法可參考之前介紹過的系統移植專輯系列文章

加載驅動模塊

在根文件系統創建/lib/modules/4.1.15文件夾，用來存放驅動模塊

• /lib/modules是通用的
• 4.1.15根據所使用的內核版本來設置，否則modprobe命令無法加載驅動模塊

在Ubuntu中將chrdevbase.ko和chrdevbaseAPP，復制到根文件系統的 rootfs/lib/modules/4.1.15 目錄中

在開發板中使用insmod或modprobe命令來加載驅動文件

輸入lsmod命令即可查看當前系統中存在的模塊，輸入cat /proc/devices命令，查看當前系統中有沒有chrdevbase 這個設備

創建設備節點文件： 驅動加載成功后，需要在/dev目錄下創建一個與之對應的設備節點文件，應用程序通過操作這個設備節點文件來完成對具體設備的操作

使用mknod命令創建/dev/chrdevbase設備節點文件

mknod /dev/chrdevbase c 200 0
#/dev/chrdevbase 是要創建的節點文件
# c 表示這是個字符設備
# 200 是設備的主設備號
# 0 是設備的次設備號

創建完后可使用ls /dev/chrdevbase -l命令查看是否存在

操作設備測試： 使用應用程序讀寫設備，對/dev/chrdevbase文件進行讀寫操作

# 讀操作命令
./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 1
# 輸出“ kernel senddata ok!”是驅動程序中chrdevbase_read函數輸出的信息
# “read data:kernel data!”就是chrdevbaseAPP打印出來的接收到的數據
# 寫操作命令
./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 2
# “kernel recevdata:usr data!”，是驅動程序中的chrdevbase_write函數輸出的

卸載驅動模塊： 若不再使用某個設備的話可以將其驅動卸載掉。 輸入rmmod命令卸載驅動后，使用lsmod命令查看chrdevbase這個模塊還存不存在

至此，Linux字符設備驅動開發完成。 本文介紹了驅動開發中的字符驅動開發的基本模式，并使用一個虛擬的字符設備驅動進行測試，了解驅動程序與應用程序之間的調用關系。