ARM-驱动-03 Linux 字符设备驱动开发

一、驱动程序基础概念1. 驱动程序的本质驱动程序本质上就是操作硬件的程序和裸机开发中写的 BSP 代码干的是同一件事——直接控制寄存器、管理外设。区别在于裸机开发驱动和应用代码混在一起写没有明确的分层想怎么访问硬件就怎么访问。有操作系统驱动被独立成内核模块和应用层严格分开。应用层不能直接碰硬件寄存器必须通过驱动提供的接口open/read/write来操作。这样做的好处有两个给上层应用提供统一、安全的访问接口屏蔽硬件细节降低开发门槛。通过内核隔离机制防止应用层误操作硬件早期没有这个机制病毒可以直接烧毁主板。2. Linux一切皆文件与设备管理Linux 中所有设备都可以通过文件操作接口open/read/write访问。应用层用设备文件名如/dev/led调用但内核内部是通过设备号一个数字来唯一标识和管理设备的因为数字比字符串查找更高效。设备号的构成字段位数作用主设备号major12位区分设备类型如 UART、LED次设备号minor20位区分同类设备的不同实例如 UART0、UART1内核维护一个全局设备链表每个设备对应一个包含设备号和操作函数指针的结构体系统通过设备号在链表中查找并调用对应驱动函数。3. Linux 设备驱动三大分类字符设备按字节流顺序访问LED、UART支持 read/write是本文的主角。块设备按数据块随机访问磁盘通常以 512 字节为单位支持缓存与重排序。网络设备不依赖设备号通过名称eth0管理使用 socket 接口通信。4. 应用层调用驱动的完整流程应用层调用 open(/dev/led) → 内核通过设备名查表获取设备号如 255:0 → 根据设备号定位驱动结构体 → 调用其 open 函数 后续 read/write 直接通过文件描述符fd操作无需再次解析文件名二、驱动程序模板与硬件接入1. 驱动程序模板“0.5个Hello World”第一个驱动模板只实现了 open、read、write 接口内核端打印日志确认通信成功。老师称之为0.5 个 Hello World——虽然应用层和驱动之间通信链路通了但还没有真正操作硬件只是打印了几行 log。2. 驱动接入硬件LED 控制在 write 函数中根据用户写入的字符串控制 LEDstaticssize_tled_write(structfile*file,constchar__user*buf,size_tlen,loff_t*offset){unsignedchardata[10]{0};// 取用户传入长度和缓冲区大小的最小值防止越界size_tlen_cplensizeof(data)?len:sizeof(data);intretcopy_from_user(data,buf,len_cp);// 安全拷贝不能直接访问用户指针if(ret0)returnret;if(!strcmp(data,ledon))led_on();elseif(!strcmp(data,ledoff))led_off();elsereturn-EINVAL;// 使用标准错误码不要统一返回 -1returnlen_cp;}这里有两个重要细节① 必须用copy_from_user不能直接访问用户空间指针用户空间和内核空间是隔离的直接访问用户指针存在安全风险必须通过copy_from_user()安全复制数据过来。② 错误码要用标准定义不要返回 -1// ❌ 不好的写法return-1;// ✅ 正确写法用户空间 perror() 才能准确解析return-EINVAL;// 无效参数 -22return-ENOMEM;// 内存不足return-EBUSY;// 设备忙3. 硬件寄存器映射ioremapMMU 启用后不能直接访问物理地址必须用ioremap()映射为内核虚拟地址sw_muxioremap(IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03,4);sw_padioremap(IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03,4);gpio1_drioremap(GPIO1_DR,4);gpio1_gdirioremap(GPIO1_GDIR,4);// 退出时必须释放iounmap(sw_mux);三、编写字符设备驱动的四步核心流程1. 实现 file_operations 结构体驱动需要实现标准操作函数并填入file_operations结构体staticstructfile_operationsfops{.ownerTHIS_MODULE,.openled_open,.readled_read,.writeled_write,.releaseled_close,};不同设备实现不同的函数LED 只需 write按键只需 readUART 需要 read/write波特率等配置通过 ioctl 实现。2. 分配/注册设备号 向内核注册驱动这里用到的函数有① 手动分配设备号的函数旧方式了解即可// 手动指定设备号devMKDEV(255,0);register_chrdev_region(dev,1,led);② 自动分配设备号的函数推荐// 让内核自动挑一个空闲的主设备号intalloc_chrdev_region(dev_t*dev,unsignedbaseminor,unsignedcount,constchar*name);参数说明dev输出参数内核将分配好的设备号写进来baseminor起始次设备号通常填 0count要申请的设备数量name设备名出现在/proc/devices中③ 将操作函数和设备号关联到字符设备结构体cdev_init(cdev,fops);// 把 fops 绑定到 cdev④ 自动创建字符设备驱动注册到内核cdev_add(cdev,dev,1);// 将 cdev 注册到内核从此内核能响应对该设备的访问⑤ 转换虚拟地址sw_muxioremap(物理地址,大小);// 物理地址 → 内核虚拟地址⑥ 各个销毁函数device_destroy(led_class,dev);// 销毁设备节点class_destroy(led_class);// 销毁 classcdev_del(cdev);// 注销字符设备unregister_chrdev_region(dev,1);// 释放设备号iounmap(sw_mux);// 释放寄存器映射⑦__init和__exit解释__init宏会把初始化函数放入内核的.initcall6.init段内核启动时按顺序遍历执行。__exit标记退出函数rmmod时调用。⑧ 加载到内核初始化启动内核会自动执行module_init(led1_init);// 告诉内核insmod 时调用 led1_initmodule_exit(led1_exit);// 告诉内核rmmod 时调用 led1_exit整个过程可以解释为insmod led.ko → led1_init() 被调用 → 分配设备号 → 初始化 cdev绑定 fops → 注册到内核cdev_add → 创建 class 和 deviceudev 自动建 /dev/led 节点 → 映射寄存器 应用层 open(/dev/led) → 内核查设备号 → 找到 cdev → 调用 led_open() rmmod led.ko → led1_exit() 被调用逆序清理所有资源3. 今天的作业侧重点动态设备号 自动节点问题1手动指定设备号的缺陷#defineMAJOR_NUM255// 写死了万一别人也用了 255devMKDEV(MAJOR_NUM,0);register_chrdev_region(dev,1,led);// 返回 -EBUSY加载失败解决改用alloc_chrdev_regionstaticdev_tdev;// 不再自己填让内核分配retalloc_chrdev_region(dev,0,1,led);if(ret0){printk(KERN_ERRled: 分配设备号失败 ret%d\n,ret);gotoerr_alloc;}// 之后用 MAJOR(dev) 读出实际分配到的主设备号printk(KERN_INFOled: major%d\n,MAJOR(dev));⚠️ 注意初始化顺序原代码顺序是错的// ❌ 错误顺序原代码cdev_add(cdev,dev,1);// 先 add门开了但门牌没挂register_chrdev_region(dev,1,led);// 后 register// ✅ 正确顺序alloc_chrdev_region(dev,0,1,led);// ① 先拿到设备号cdev_init(cdev,fops);// ② 初始化 cdevcdev_add(cdev,dev,1);// ③ 再对外注册问题2手动 mknod 太麻烦每次 insmod 后都要手动执行mknod /dev/led c major 0设备号还是动态的根本不知道填几。解决用class_createdevice_create自动创建#includelinux/device.h// 必须加这个头文件// 第一步在 /sys/class/ 下建 led 目录udev 监视这里staticstructclass*led_class;led_classclass_create(THIS_MODULE,led);if(IS_ERR(led_class)){// 注意失败不是返回 NULL要用 IS_ERR 判断retPTR_ERR(led_class);// 用 PTR_ERR 提取错误码gotoerr_class;}// 第二步写入设备信息udev 自动执行 mknod/dev/led 节点自动生成staticstructdevice*led_device;led_devicedevice_create(led_class,NULL,dev,NULL,led);if(IS_ERR(led_device)){retPTR_ERR(led_device);gotoerr_device;}4. 创建设备节点绑定名字和设备号用自动创建则不需要手动mknod系统挂载文件系统后 udev 会自动在/dev/下生成节点。四、健壮性设计goto 错误链驱动初始化任何一步失败必须回滚之前已分配的资源否则造成内核资源泄漏。Linux 内核推荐用goto实现逆序回滚staticint__initled1_init(void){intret;retalloc_chrdev_region(dev,0,1,led);if(ret0)gotoerr_alloc;cdev_init(cdev,fops);retcdev_add(cdev,dev,1);if(ret0)gotoerr_cdev;led_classclass_create(THIS_MODULE,led);if(IS_ERR(led_class)){retPTR_ERR(led_class);gotoerr_class;}led_devicedevice_create(led_class,NULL,dev,NULL,led);if(IS_ERR(led_device)){retPTR_ERR(led_device);gotoerr_device;}sw_muxioremap(IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03,4);sw_padioremap(IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03,4);gpio1_drioremap(GPIO1_DR,4);gpio1_gdirioremap(GPIO1_GDIR,4);printk(KERN_INFOled_init success\n);return0;// 逆序回滚哪步失败就从这里开始把前面成功的依次清理掉err_device:class_destroy(led_class);err_class:cdev_del(cdev);err_cdev:unregister_chrdev_region(dev,1);err_alloc:returnret;}退出函数同样严格逆序staticvoid__exitled1_exit(void){iounmap(gpio1_gdir);iounmap(gpio1_dr);iounmap(sw_pad);iounmap(sw_mux);device_destroy(led_class,dev);// ① 先销毁节点class_destroy(led_class);// ② 再销毁 classcdev_del(cdev);// ③ 注销 cdevunregister_chrdev_region(dev,1);// ④ 最后释放设备号}五、总结与补充1. vim 的 ctags 使用方法在阅读内核源码时经常需要跳转到函数定义处ctags 是最顺手的工具# 在内核源码根目录生成索引ctags-R# vim 中使用Ctrl]# 跳转到光标下符号的定义Ctrlo# 返回跳转前的位置# 有多个定义时输入数字选择跳转目标2. 我们的侧重点今天作业总结今天的两个改动让驱动从能跑升级到规范改动旧写法新写法设备号分配MKDEV(255, 0)手动写死alloc_chrdev_region动态申请初始化顺序cdev_add 在 alloc 之前错误先 alloc → 再 init → 再 add创建设备节点手动执行mknodclass_create device_create自动生成错误处理缺失或不完整goto错误链逆序释放完整驱动代码#includelinux/init.h#includelinux/printk.h#includelinux/kdev_t.h#includelinux/types.h#includelinux/fs.h#includelinux/cdev.h#includelinux/device.h// 新增class_create / device_create#includeasm/uaccess.h#includeasm/string.h#includeasm/io.h#defineMINOR_START0#defineDEV_COUNT1#defineDEV_NAMEled#defineIOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO030x20e0068U#defineIOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO030x20E02F4U#defineGPIO1_DR0x209C000U#defineGPIO1_GDIR0x209C004Ustaticvolatileunsignedint*sw_mux;staticvolatileunsignedint*sw_pad;staticvolatileunsignedint*gpio1_dr;staticvolatileunsignedint*gpio1_gdir;staticvoidled_init(void){*sw_mux0x05;*sw_pad0x10b0;*gpio1_gdir|(13);*gpio1_dr|(13);}staticvoidled_on(void){*gpio1_dr~(13);}staticvoidled_off(void){*gpio1_dr|(13);}staticintled_open(structinode*node,structfile*file){led_init();printk(led open...\n);return0;}staticssize_tled_read(structfile*file,char__user*buf,size_tlen,loff_t*offset){printk(led read...\n);return0;}staticssize_tled_write(structfile*file,constchar__user*buf,size_tlen,loff_t*offset){unsignedchardata[10]{0};size_tlen_cplensizeof(data)?len:sizeof(data);intretcopy_from_user(data,buf,len_cp);if(ret0)returnret;if(!strcmp(data,ledon))led_on();elseif(!strcmp(data,ledoff))led_off();elsereturn-EINVAL;printk(led write...\n);returnlen_cp;}staticintled_close(structinode*node,structfile*file){led_off();printk(led close...\n);return0;}staticdev_tdev;staticstructcdevcdev;staticstructclass*led_class;staticstructdevice*led_device;staticstructfile_operationsfops{.ownerTHIS_MODULE,.openled_open,.readled_read,.writeled_write,.releaseled_close,};staticint__initled1_init(void){intret;// ① 动态分配主设备号retalloc_chrdev_region(dev,MINOR_START,DEV_COUNT,DEV_NAME);if(ret0){printk(KERN_ERRalloc_chrdev_region failed\n);gotoerr_alloc;}printk(KERN_INFOled: major%d\n,MAJOR(dev));// ② 注册字符设备cdev_init(cdev,fops);retcdev_add(cdev,dev,DEV_COUNT);if(ret0){printk(KERN_ERRcdev_add failed\n);gotoerr_cdev;}// ③ 创建 class/sys/class/ledled_classclass_create(THIS_MODULE,DEV_NAME);if(IS_ERR(led_class)){retPTR_ERR(led_class);gotoerr_class;}// ④ 创建 deviceudev 自动生成 /dev/ledled_devicedevice_create(led_class,NULL,dev,NULL,DEV_NAME);if(IS_ERR(led_device)){retPTR_ERR(led_device);gotoerr_device;}// ⑤ 映射寄存器sw_muxioremap(IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03,4);sw_padioremap(IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03,4);gpio1_drioremap(GPIO1_DR,4);gpio1_gdirioremap(GPIO1_GDIR,4);printk(KERN_INFOled_init success\n);return0;err_device:class_destroy(led_class);err_class:cdev_del(cdev);err_cdev:unregister_chrdev_region(dev,DEV_COUNT);err_alloc:returnret;}staticvoid__exitled1_exit(void){iounmap(gpio1_gdir);iounmap(gpio1_dr);iounmap(sw_pad);iounmap(sw_mux);device_destroy(led_class,dev);class_destroy(led_class);cdev_del(cdev);unregister_chrdev_region(dev,DEV_COUNT);printk(KERN_INFOled_exit\n);}module_init(led1_init);module_exit(led1_exit);