泰山派3M-RK3576-Linux内核驱动教程-Linux驱动基础-字符驱动设备-实现一个字符设备

接下来我们自己来实现一个字符设备进行一个实操演示。一、字符设备驱动的基本结构驱动程序主要包括以下几个关键部分注册设备号和 cdev实现 file_operations 结构体包含 read/write 等操作创建设备类和设备节点资源释放和模块卸载1、注册设备号和cdev作用每个字符设备都需要一个唯一的“设备号”主设备号次设备号供内核区分不同设备。cdev是内核中真正代表你设备的“对象”。步骤及API说明使用alloc_chrdev_region()或register_chrdev_region()申请设备号。定义并初始化一个struct cdev类型的对象用来描述你的设备。把cdev对象和设备号“绑定”起来注册到系统。2、实现file_operations结构体作用定义驱动支持哪些“文件操作”——比如 read、write、open、release 等。以后应用程序访问设备节点如 /dev/mydev时内核就会自动调用你填写的这些函数实现具体数据的读写和设备管理。结构体模板static struct file_operations mydev_fops { .owner THIS_MODULE, // 模块所有者必须填写 .open mydev_open, // 打开操作 .release mydev_release, // 关闭/释放 .read mydev_read, // 读操作 .write mydev_write, // 写操作 // 可以根据需要实现ioctl、poll等 };说明你只需要实现你自己的mydev_open、mydev_read等函数函数名可以自定义。没有实现的操作可以不填相关功能就不可用。3、创建设备类和设备节点作用让你的设备能够被用户空间访问如/dev/mydev文件通常用class_create()和device_create()自动生成设备节点大部分现代 Linux 配合 udev 都能自动生效。步骤及API说明创建一个 class用于 sysfs 分类和 udev 识别。生成对应的设备节点/dev/xxx。说明卸载时要用device_destroy、class_destroy清理。4、资源释放和模块卸载作用驱动退出时必须“善后”——撤销前述所有注册和资源分配避免系统资源泄漏、节点残留。步骤及API说明删除设备节点和 class。删除 cdev 对象释放设备号。释放内存等其它资源。二、目录与文件组织新建项目目录05_char_device/创建主要的代码文件mychardev.cMakefile三、驱动源码详解1、驱动源码编写实现/dev/mychardev设备文件支持应用程序读写通过驱动内部的一个内存缓冲区交换数据。#include linux/init.h #include linux/module.h #include linux/fs.h #include linux/kdev_t.h #include linux/cdev.h #include linux/device.h // 设备名和类名的宏定义 #define DEV_NAME device_test // 设备节点名称 #define CLASS_NAME class_test // 设备类名称 static dev_t dev_num; // 保存设备号 static struct cdev cdev_test; // 字符设备结构体 static struct class *class_test; // 设备类指针 // 打开设备时调用的函数 // inode: 指向文件的 inode 结构体指针 // file: 文件结构体指针 static int chrdev_open(struct inode *inode, struct file *file) { printk(KERN_INFO mychardev: chrdev_open called\n); // 打印打开信息到内核日志 return 0; // 返回0表示成功 } // 读设备时调用的函数 // file: 文件结构体指针 // buf: 用户空间的缓冲区指针 // size: 期望读取的字节数 // off: 偏移量指针 static ssize_t chrdev_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *off) { printk(KERN_INFO mychardev: chrdev_read called\n); // 打印读操作信息 return 0; // 返回0表示没有数据可读 } // 写设备时调用的函数 // file: 文件结构体指针 // buf: 用户空间的缓冲区指针 // size: 要写入的字节数 // off: 偏移量指针 static ssize_t chrdev_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *off) { printk(KERN_INFO mychardev: chrdev_write called\n); // 打印写操作信息 return size; // 返回写入的字节数表示写入成功 } // 关闭设备时调用的函数 // inode: 指向文件的 inode 结构体指针 // file: 文件结构体指针 static int chrdev_release(struct inode *inode, struct file *file) { printk(KERN_INFO mychardev: chrdev_release called\n); // 打印关闭信息 return 0; // 返回0表示成功 } // file_operations 结构体指明本设备支持的操作 static struct file_operations cdev_fops_test { .owner THIS_MODULE, // 拥有者一般为 THIS_MODULE .open chrdev_open, // open 操作 .read chrdev_read, // read 操作 .write chrdev_write, // write 操作 .release chrdev_release, // release 操作 }; // 模块加载时自动调用的初始化函数 static int __init chrdev_fops_init(void) { int ret; int major, minor; // 1. 自动申请设备号主设备号和次设备号由内核分配 ret alloc_chrdev_region(dev_num, 0, 1, DEV_NAME); if (ret 0) { printk(KERN_ERR mychardev: alloc_chrdev_region failed\n); // 申请失败 return ret; } major MAJOR(dev_num); // 获取主设备号 minor MINOR(dev_num); // 获取次设备号 printk(KERN_INFO mychardev: alloc_chrdev_region ok: major%d, minor%d\n, major, minor); // 2. 初始化 cdev 结构体并添加到内核 cdev_init(cdev_test, cdev_fops_test); // 初始化 cdev ret cdev_add(cdev_test, dev_num, 1); // 注册 cdev 到内核 if (ret 0) { printk(KERN_ERR mychardev: cdev_add failed\n); unregister_chrdev_region(dev_num,1); // 失败时释放设备号 return ret; } // 3. 创建设备类便于自动创建设备节点 class_test class_create(THIS_MODULE, CLASS_NAME); if (IS_ERR(class_test)) { printk(KERN_ERR mychardev: class_create failed\n); cdev_del(cdev_test); unregister_chrdev_region(dev_num,1); return PTR_ERR(class_test); } // 4. 创建设备节点 /dev/device_test if (device_create(class_test, NULL, dev_num, NULL, DEV_NAME) NULL) { printk(KERN_ERR mychardev: device_create failed\n); class_destroy(class_test); cdev_del(cdev_test); unregister_chrdev_region(dev_num,1); return -ENOMEM; } printk(KERN_INFO mychardev: chrdev driver loaded successfully\n); // 驱动加载成功 return 0; } // 模块卸载时自动调用的清理函数 static void __exit chrdev_fops_exit(void) { device_destroy(class_test, dev_num); // 删除设备节点 class_destroy(class_test); // 删除设备类 cdev_del(cdev_test); // 注销 cdev unregister_chrdev_region(dev_num, 1); // 释放设备号 printk(KERN_INFO mychardev: chrdev driver unloaded\n); // 卸载信息 } // 指定模块的初始化和退出函数 module_init(chrdev_fops_init); // 加载模块时调用 module_exit(chrdev_fops_exit); // 卸载模块时调用 MODULE_LICENSE(GPL); // 模块许可证声明2、源码详解全局变量定义static dev_t dev_num; // 保存设备号主次 static struct cdev cdev_test; // 字符设备对象 static struct class *class_test; // 设备类指针dev_t dev_num: 保存设备号主/次合成用于内核管理和表示你的驱动。struct cdev cdev_test: Linux 内核的“字符设备对象”管理和内核的关联。struct class *class_test: 用于自动生成 /dev/ 设备节点和 sysfs 分类。open/release函数static int chrdev_open(struct inode *inode, struct file *file) { printk(KERN_INFO mychardev: chrdev_open called\n); return 0; } static int chrdev_release(struct inode *inode, struct file *file) { printk(KERN_INFO mychardev: chrdev_release called\n); return 0; }当应用程序调用open(/dev/device_test, ...)或close()时内核自动调用这些函数。当前只打印日志无额外资源操作方便后续扩展如分配/释放硬件缓存、初始化设备等。read/write函数static ssize_t chrdev_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *off) { printk(KERN_INFO mychardev: chrdev_read called\n); return 0; } static ssize_t chrdev_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *off) { printk(KERN_INFO mychardev: chrdev_write called\n); return size; }chrdev_read应用用read()读取设备会调用这里现在只是日志返回0表示没有数据。真实场景应把内核数据拷给用户并返回实际字节数chrdev_write应用用write()会进这个函数。这里日志返回size模拟“写入成功”。真实驱动要把数据读入内核缓冲或者转发给硬件file_operations结构体static struct file_operations cdev_fops_test { .owner THIS_MODULE, .open chrdev_open, .read chrdev_read, .write chrdev_write, .release chrdev_release, };该结构体描述驱动支持哪些操作每项都指向你自己的实现函数。这是内核和应用之间的“操作函数跳板”。驱动加载函数alloc_chrdev_region系统自动分配唯一设备号添加到内核管理。MAJOR/MINOR宏取设备号主/次部分有时debug非常有用。cdev_init/cdev_add配置/注册 cdev实现 file_operations功能与设备号的关联。class_create/device_create现代 Linux 推荐做法让内核自动生成/dev/device_test节点用户无需手动mknod。驱动卸载函数static void __exit chrdev_fops_exit(void) { device_destroy(class_test, dev_num); class_destroy(class_test); cdev_del(cdev_test); unregister_chrdev_region(dev_num, 1); printk(KERN_INFO mychardev: chrdev driver unloaded\n); }核心思想分配/创建的资源设备号、cdev、class、device节点都要在卸载时完全释放防止内核资源泄漏。四、Makefile编写在05_char_device/下的 Makefile 如下编写export ARCHarm64 # 05.实现一个字符设备 export CROSS_COMPILE/home/lckfb/TaishanPi-3-Linux/prebuilts/gcc/linux-x86/aarch64/gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-aarch64-none-linux-gnu/bin/aarch64-none-linux-gnu- # 和源文件名一致 obj-m mychardev.o # 内核源码目录 KDIR : /home/lckfb/TaishanPi-3-Linux/kernel-6.1 PWD ? $(shell pwd) all: make -C $(KDIR) M$(PWD) modules clean: make -C $(KDIR) M$(PWD) clean和之前编写的Makefile几乎一摸一样这不过这里变为了mychardev.oCROSS_COMPILE依旧是SDK中的编译器路径前缀。KDIR依旧是内核源码目录。五、驱动编译与加载终端进入05_char_device/目录执行make生成mychardev.ko将mychardev.ko复制到开发板中U盘、TF卡或者SSH都可以然后加载驱动模块sudo insmod mychardev.ko检查节点是否创建成功ls -l /dev/device_test查看内核日志或调试信息寻找所有和mychardev相关的日志dmesg | grep -E mychardev