4.Linux 2.6 标准字符设备驱动模型

it2022-05-05 184

1.Linux 2.6 标准字符设备核心结构

2. 特征

3.静态设备号申请函数：

4.动态设备号申请函数：

5.设备号释放函数

6.核心结构分配函数

7. 核心结构 struct cdev 初始化函数

8.真正的设备注册\注销函数

9.Linux 2.6 字符设备驱动编程步骤

1.模块的加载函数：

2.模块卸载函数：

10.驱动源码：

11.测试源码：

12.驱动测试过程

13.完善驱动代码，增加函数值的判断

1.Linux 2.6 标准字符设备核心结构

/include/linux/cdev.h

必须实现的成员：

ops：文件操作方法指针

dev：起始设备号（包含主设备号和次设备号）， dev_t 实际上是一个 u32 类型

count：本设备要占用次设备号的数量（连续的），从 dev 中的的次设备号开始。

设备号

Linux2.6 版本以上内核，使用 dev_t 来表示一个设备号， dev_t 实际上是一个 u32 类型。其中高 12 位是主设备号，低 20 位是次设备号。

主设备号： dev_t 高 12 位， 2^12=4K （10 是给杂项设备使用）

早期范围 0~255， Linux2.6 范围 0 ~ 4095

次设备号： dev_t 低 20 位， 2^20=1M

早期范围 0~255， Linux2.6 范围 0 ~ 1M-1

合成设备号：

MKDEV(ma,mi)： ma：主设备号； mi：次设备号

分解设备号：

MAJOR(dev) ：从设备号 dev 中分解出主设备号

MINOR(dev) ：从设备号 dev 中分解出次设备号

内核中定义:

/include/linux/kdev_t.h

2. 特征

1. 安装后，不会自动创建/dev/设备文件节点，需要手动使用 mknod 命令创建。

2. 调用一个 cdev_add 注册后，指定数量的次号被占用完了。数量可以自己指定，一个主设备可以使用cdev_add 函数注册多次。

3. 设备号使用前需要先申请： register_chrdev_region--静态分配,或 alloc_chrdev_region--动态分配设备号函数申请。

3.静态设备号申请函数：

int register_chrdev_region(

dev_t from, /* 起始设备号(主、次)*/

unsigned count, /* 连续的次设备号数量*/

const char *name) /* 设备名，不需要和/dev/的设备文件名相同*/

头文件： #include <linux/fs.h>

功能：申请一个设备号范围

参数： from：起始设备号(主、次)

count：连续的次设备号数量

name：设备名，不需要和/dev/的设备文件名相同

返回值： 0：成功；失败：返回负数

4.动态设备号申请函数：

int alloc_chrdev_region(

dev_t *dev, /* 存放分配到的第一个设备(包含主次)*/

unsigned baseminor, /* 要分配起始次设备号 */

unsigned count, /* 连续的次设备号数量*/

const char *name) /* 设备名，不需要和/dev/的设备文件名相同*/

头文件： #include <linux/fs.h>

功能：申请一个设备号范围

参数： dev：存放分配到的第一个设备(包含主次设备号)

baseminor：要分配起始次设备号

count：连续的次设备号数量

name：设备名，不需要和/dev/的设备文件名相同

返回值： 0：成功；失败：返回负数

5.设备号释放函数

void unregister_chrdev_region( dev_t from, /* 起始设备号(主、次)*/

unsigned int count) /* 连续的次设备号数量*/

头文件： #include <linux/fs.h>

功能：释放一个设备号范围

参数： from：起始设备号(主、次) (包含主次设备号)

count：连续的次设备号数量

返回值：无

6.核心结构分配函数

核心结构分配函数： struct cdev *cdev_alloc(void)

头文件： #include <linux/cdev.h>

功能：在堆空间中分配一个核心结构，注意，不使用时候要使用 kfree 函数释放;

参数：无

返回值：返回分配到 struct cdev 结构空间首地址

说明：用完记得释放,否则会造成内存泄漏。

第一种方式：

struct cdev k; //定义变量，定义后已经有 struct cdev 结构内存空间

第二种方式：

struct cdev *p; //这种写法只是定义了指针，但是没有分配 struct cdev 结构的内存空间。

p = cdev_alloc(); //写在模块加载函数中

7. 核心结构 struct cdev 初始化函数

初始化函数： void cdev_init(struct cdev *cdev, /* 需要初始化的核心结构指针*/

const struct file_operations *fops)/* 字符设备的文件操作方法*/

实现源码：

头文件： #include <linux/cdev.h>

功能：初始化核心结构，具体做的是清零核心结构，初始化核心结构的 list， kobj， ops 成员

参数：

cdev：需要初始化的核心结构指针

fops：文件操作方法结构指针

返回值：无

说明：写这种种驱动模型时候，不需要在定义 struct cdev 结核变量初始化，因为调用 cdev_init 函数时候会把它清 0,定义时候的初始无效。

8.真正的设备注册\注销函数

注册函数： int cdev_add(struct cdev *p, /* 已经初始化的核心结构指针 */

dev_t dev, /* 起始设备号(包含主次设备号在内)*/

unsigned count) /* 连续次设备号数量*/

头文件： #include <linux/ cdev.h>

功能：注册一个 cdev 结构

参数： p：已经初始化的核心结构指针

dev：起始设备号(包含主次设备号在内)

count：连续次设备号数量

返回值：成功：返回 0 失败：返回负数

注销函数： void cdev_del(struct cdev *p)

头文件： #include <linux/cdev.h>

功能：注销一个 cdev 结构

参数： p：前面注册的 struct cdev 结构指针

返回值：无

9.Linux 2.6 字符设备驱动编程步骤

杂项设备模型：定义杂项设备核心结构—>填充核心结构注册核心结构这个过程中涉及到成员使用倒推法则实现。

Linux 2.6 模型编写方法相同。

1.模块的加载函数：

1. 使用 cdev_alloc(void) 分配 cdev 结构空间

2. 申请设备号:动态或静态

静态申请：

int register_chrdev_region(dev_t from, /* 起始设备号(主、次)*/

unsigned count, /* 连续的次设备号数量*/

const char *name) /* 设备名，不需要和/dev/的设备文件名相同*/

动态申请：

int alloc_chrdev_region(

dev_t *dev, /* 存放分配到的第一个设备(包含主次)*/

unsigned baseminor, /* 要分配起始次设备号 */

unsigned count, /* 连续的次设备号数量*/

const char *name) /* 设备名，不需要和/dev/的设备文件名相同*/

当你不确定哪个号能使用时候，就必须使用动态方式申请。

3. 初始化 cdev 结构

void cdev_init(struct cdev *cdev, /* 需要初始化的核心结构指针*/

const struct file_operations *fops)/* 字符设备的文件操作方法*/

4. 注册已经初始化好的 cdev 结构

int cdev_add(struct cdev *p, /* 已经初始化的核心结构指针 */

dev_t dev, /* 起始设备号(包含主次设备号在内)*/

unsigned count) /* 连续次设备号数量*/

2.模块卸载函数：

做的事情和加载函数相反，顺序也要相反

1. 注销 cdev 结构

void cdev_del(struct cdev *p)

2. 释放设备号

void unregister_chrdev_region( dev_t from, /* 起始设备号(主、次)*/

unsigned int count) /* 连续的次设备号数量*/

3. 释放 cdev 结构空间

kfree(void*p)

驱动核心：

实现 struct file_operations 结构。

10.驱动源码：

#include <linux/module.h> #include <linux/init.h> //包含必须的头文件 #include <linux/fs.h> #include <linux/cdev.h> #include <linux/slab.h> //以下是文件操作方法的具体实现代码 static int xxx_open(struct inode *pinode, struct file *pfile ) { printk(KERN_EMERG"file:%s\r\nline:%d, %s is call\n", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__); return 0; } static ssize_t xxx_read(struct file *pfile,char __user *buf, size_t count, loff_t *poff) { printk(KERN_EMERG"file:%s\r\nline:%d, %s is call\n", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__); return count; } static ssize_t xxx_write(struct file *pfile,const char __user *buf, size_t count, loff_t *poff) { printk(KERN_EMERG"file:%s\r\nline:%d, %s is call\n", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__); return count; } static loff_t xxx_llseek(struct file *pfile, loff_t off, int whence) { printk(KERN_EMERG"file:%s\r\nline:%d, %s is call\n", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__); return off; } static int xxx_release (struct inode *pinode, struct file *pfile) { printk(KERN_EMERG"file:%s\r\nline:%d, %s is call\n", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__); return 0; } static long xxx_unlocked_ioctl (struct file *pfile,unsigned int cmd, unsigned long args) { printk(KERN_EMERG"file:%s\r\nline:%d, %s is call\n", __FILE__, __LINE__, __FUNCTION__); return 0; } //文件操作方法集合指针 static const struct file_operations mymisc_fops = { .open = xxx_open, .read = xxx_read, .write = xxx_write, .llseek = xxx_llseek, .release = xxx_release, .unlocked_ioctl = xxx_unlocked_ioctl, }; //定义设备名 #define MY_DEVICE_NAME "linux26" static unsigned int major = 0; //设置设备主设备号 static struct cdev *pcdev; //定义一个 cdev 指针 static dev_t dev_no; //第一个设备号(包含了主和次) //这个代码只是简单的实现了 Linux2.6 模型的初始化代码，并没有对函数执行结果进行判断 //后面会对这个代码进行改进 static int __init linux26_device_init(void) { // int ret; //1. 使用 cdev_alloc(void) 分配 cdev 结构空间 pcdev = cdev_alloc(); //2. 申请设备号:动态或静态 alloc_chrdev_region( &dev_no, /* 存放分配到的第一个设备(包含主次)*/ 0 , /* 要分配起始次设备号 */ 2, /* 连续的次设备号数量*/ MY_DEVICE_NAME); /* 设备名，不需要和/dev/的设备文件名相同*/ //3. 初始化 cdev 结构 cdev_init(pcdev, /* 需要初始化的核心结构指针*/ &mymisc_fops); /* 字符设备的文件操作方法*/ //4. 注册已经初始化好的 cdev 结构 cdev_add(pcdev, /* 已经初始化的核心结构指针 */ dev_no, /* 起始设备号(包含主次设备号在内)*/ 2) ; /* 连续次设备号数量*/ major = MAJOR(dev_no); /* 从设备号中提取主设备号 */ printk(KERN_EMERG"cdev_add ok\n"); printk(KERN_EMERG"major:%d \n", major); //输出主设备号 return 0; } static void __exit linux26_device_exit(void) { //1. 注销 cdev 结构 cdev_del(pcdev); //2. 释放设备号 unregister_chrdev_region(dev_no, /* 起始设备号(主、次)*/ 2); /* 连续的次设备号数量*/ //3. 释放 cdev 结构空间 kfree(pcdev); printk(KERN_EMERG"cdev_del ok\n"); } module_init(linux26_device_init); module_exit(linux26_device_exit); MODULE_LICENSE("GPL");

11.测试源码：

#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> //lseek #include <sys/ioctl.h> //ioctl //定义设备名 #define MY_DEVICE_NAME "/dev/mydev0" int fd; //存放文件描述符号 char save_buf[1024] = {0}; //存放数据使用 int main(void) { int ret; fd = open(MY_DEVICE_NAME, O_RDWR); //以读写方式进行打开 if(fd < 0) { printf("open error\r\n"); return -1; } printf("fd=%d\r\n", fd); //成功时候输出文件描述符 printf(MY_DEVICE_NAME" open success\r\n"); //成功时候输出文件描述符 //读操作 ret = read(fd, save_buf, 1024); if(ret < 0) { printf("open error\r\n"); return -1; } //写操作 write(fd, "console out test\r\n", sizeof("console out test\r\n")); //移动文件指针操作 lseek(fd, 0, SEEK_SET); //i/o 控制操作 ioctl(fd, 0, 0); //关闭文件 close(fd); return 0; }

12.驱动测试过程

[root@ChenZhiFa home]# ls

app linux26_module.ko

安装驱动模块：

[root@ChenZhiFa home]# insmod linux26_module.ko

[15280.615000] cdev_add ok

[15280.615000] major:249  --->分配得到的主设备号是 249

查看/proc/devices 文件中是否有源码中注册的设备名 “linux26“

[root@ChenZhiFa home]# cat /proc/devices | grep linux26

249 linux26  -->可以知道源码中申请设备号中的 name 参数是用来标识设备给谁使用

查看是否会自动创建设备文件：

[root@ChenZhiFa home]# ls /dev/linux26 -l

ls: /dev/linux26: No such file or directory  --->不会自动创建设备文件

手动创建设备文件：主设备号和次设备号都是正确的：

[root@ChenZhiFa home]# mknod /dev/mydev0 c 249 0

运行 app 测试驱动：

[root@ChenZhiFa home]# ./app [15464.165000] file:/mnt/hgfs/share/20160909device_drvier/04_linux26_device/linux26_module.c [15464.165000] line:14, xxx_open is call [15464.165000] file:/mnt/hgfs/share/20160909device_drvier/04_linux26_device/linux26_module.c [15464.165000] line:22, xxx_read is call [15464.165000] file:/mnt/hgfs/share/20160909device_drvier/04_linux26_device/linux26_module.c [15464.165000] line:29, xxx_write is call [15464.180000] file:/mnt/hgfs/share/20160909device_drvier/04_linux26_device/linux26_module.c [15464.180000] line:36, xxx_llseek is call [15464.190000] file:/mnt/hgfs/share/20160909device_drvier/04_linux26_device/linux26_module.c [15464.190000] line:53, xxx_unlocked_ioctl is call [15464.205000] file:/mnt/hgfs/share/20160909device_drvier/04_linux26_device/linux26_module.c [15464.205000] line:44, xxx_release is call fd=3 /dev/mydev0 open success 删除上一步手动创建的设备文件，新建立一个次设备不同的，但是也在注册范围内的设备文件： [root@ChenZhiFa home]# rm /dev/mydev0 [root@ChenZhiFa home]# mknod /dev/mydev0 c 249 1 代码中申请了 2 个次设备号： 0， 1，所以 1 也是合法的次设备号。使用新的设备文件测试：结果成功的。 [root@ChenZhiFa home]# ./app [15581.625000] file:/mnt/hgfs/share/20160909device_drvier/04_linux26_device/linux26_module.c [15581.625000] line:14, xxx_open is call [15581.625000] file:/mnt/hgfs/share/20160909device_drvier/04_linux26_device/linux26_module.c [15581.625000] line:22, xxx_read is call [15581.625000] file:/mnt/hgfs/share/20160909device_drvier/04_linux26_device/linux26_module.c [15581.625000] line:29, xxx_write is call [15581.635000] file:/mnt/hgfs/share/20160909device_drvier/04_linux26_device/linux26_module.c [15581.635000] line:36, xxx_llseek is call [15581.650000] file:/mnt/hgfs/share/20160909device_drvier/04_linux26_device/linux26_module.c [15581.650000] line:53, xxx_unlocked_ioctl is call [15581.660000] file:/mnt/hgfs/share/20160909device_drvier/04_linux26_device/linux26_module.c [15581.660000] line:44, xxx_release is call fd=3 /dev/mydev0 open success

删除上一步手动创建的设备文件，新建立一个次设备不同的，但是不在注册范围内的设备文件：

[root@ChenZhiFa home]# rm /dev/mydev0

[root@ChenZhiFa home]# mknod /dev/mydev0 c 249 2

代码中申请了 2 个次设备号： 0， 1，所以 2 也不是合法的次设备号。

使用新的设备文件测试：结果失败的。

[root@ChenZhiFa home]# ./app

open error 测试结果失败，说明了 Linux2.6 真的可以指定占用多少个次设备号。

13.完善驱动代码，增加函数值的判断

驱动直接操作是硬件，如果驱动不可靠，操作系统直接会异常，甚至崩溃。所以，在驱动代码中，凡是执行有可能失败的函数都需要对其返回值进行判断，成功后才可以进入下一步。

修改后代码：

static int __init linux26_device_init(void) { int ret = -1; //1. 使用 cdev_alloc(void) 分配 cdev 结构空间 pcdev = cdev_alloc(); if(pcdev == NULL) { printk(KERN_EMERG" cdev_alloc error\n"); ret = -ENOMEM; /* 分配失败一般是由于内存不足导致的 */ return ret; } //2. 申请设备号:动态或静态 ret = alloc_chrdev_region(&dev_no, 0 , 2, MY_DEVICE_NAME); if(ret < 0 ) { //释放前面成功的资源 kfree(pcdev); /* 3.释放 cdev 结构空间 */ printk(KERN_EMERG"alloc_chrdev_region error\n"); return ret; } //3. 初始化 cdev 结构 cdev_init(pcdev, &mymisc_fops); /* 字符设备的文件操作方法*/ //4. 注册已经初始化好的 cdev 结构 ret = cdev_add(pcdev, dev_no, 2) ; if(ret < 0 ) { //释放前面成功的资源 unregister_chrdev_region(dev_no, 2); /* 3.释放前面申请的调和号*/ kfree(pcdev); /* 3.释放 cdev 结构空间 */ printk(KERN_EMERG"alloc_chrdev_region error\n"); return ret; } major = MAJOR(dev_no); /* 从设备号中提取主设备号 */ printk(KERN_EMERG"cdev_add ok\n"); printk(KERN_EMERG"major:%d \n", major); //输出主设备号 return 0; } 使用 goto 语句后修改的错误检测代码： static int __init linux26_device_init(void) { int ret = -1; //1. 使用 cdev_alloc(void) 分配 cdev 结构空间 pcdev = cdev_alloc(); if(pcdev == NULL) { printk(KERN_EMERG" cdev_alloc error\n"); ret = -ENOMEM; /* 分配失败一般是由于内存不足导致的 */ goto err_cdev_alloc; } //2. 申请设备号:动态或静态 ret = alloc_chrdev_region(&dev_no, 0 , 2, MY_DEVICE_NAME); if(ret < 0 ) { printk(KERN_EMERG"alloc_chrdev_region error\n"); goto err_alloc_chrdev_region; } //3. 初始化 cdev 结构 cdev_init(pcdev, &mymisc_fops); /* 字符设备的文件操作方法*/ //4. 注册已经初始化好的 cdev 结构 ret = cdev_add(pcdev, dev_no, 2) ; if(ret < 0 ) { printk(KERN_EMERG"alloc_chrdev_region error\n"); goto err_cdev_add; } major = MAJOR(dev_no); /* 从设备号中提取主设备号 */ printk(KERN_EMERG"cdev_add ok\n"); printk(KERN_EMERG"major:%d \n", major); /*输出主设备号*/ return 0; //如果没有写这一条，会导致驱动注册成功但是打不开设备。 err_cdev_add: //释放前面成功的资源 unregister_chrdev_region(dev_no, 2); /* 3.释放前面申请的调和号*/ err_alloc_chrdev_region: //释放前面成功的资源 kfree(pcdev); /* 3.释放 cdev 结构空间 */ err_cdev_alloc: return ret; }

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