三、linux字符驱动详解

在上一节完成NFS开发环境的搭建后，本节将探讨Linux字符设备驱动的开发。字符设备驱动作为Linux内核的重要组成部分，主要负责管理与字符设备（如串口、键盘等）的交互，并为用户空间程序提供统一的读写操作接口。

驱动代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/cdev.h> #define DEVICE_NAME "hello_chrdev"
#define BUFFER_SIZE 100// 设备结构体
typedef struct {char buffer[BUFFER_SIZE];struct class *class;struct device *device;dev_t dev_num;struct cdev cdev;
} HelloDevice;static HelloDevice hello_dev;// 打开设备
static int hello_open(struct inode *inode, struct file *filp) {printk(KERN_INFO "Hello device opened\n");return 0;
}// 读取设备
static ssize_t hello_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {size_t len = strlen(hello_dev.buffer);if (*f_pos >= len) {return 0;}if (count > len - *f_pos) {count = len - *f_pos;}if (copy_to_user(buf, hello_dev.buffer + *f_pos, count)) {return -EFAULT;}*f_pos += count;return count;
}// 写入设备
static ssize_t hello_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {if (count > BUFFER_SIZE - 1) {count = BUFFER_SIZE - 1;}if (copy_from_user(hello_dev.buffer, buf, count)) {return -EFAULT;}hello_dev.buffer[count] = '\0';*f_pos += count;return count;
}// 关闭设备
static int hello_release(struct inode *inode, struct file *filp) {printk(KERN_INFO "Hello device closed\n");return 0;
}// 文件操作结构体
static struct file_operations hello_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = hello_open,.read = hello_read,.write = hello_write,.release = hello_release,
};// 模块初始化函数
static int __init hello_init(void) {int ret;// 分配设备号ret = alloc_chrdev_region(&hello_dev.dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME);if (ret < 0) {printk(KERN_ERR "Failed to allocate character device number\n");return ret;}// 创建类hello_dev.class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);if (IS_ERR(hello_dev.class)) {unregister_chrdev_region(hello_dev.dev_num, 1);printk(KERN_ERR "Failed to create class\n");return PTR_ERR(hello_dev.class);}// 创建设备hello_dev.device = device_create(hello_dev.class, NULL, hello_dev.dev_num, NULL, DEVICE_NAME);if (IS_ERR(hello_dev.device)) {class_destroy(hello_dev.class);unregister_chrdev_region(hello_dev.dev_num, 1);printk(KERN_ERR "Failed to create device\n");return PTR_ERR(hello_dev.device);}// 初始化 cdev 结构体cdev_init(&hello_dev.cdev, &hello_fops);hello_dev.cdev.owner = THIS_MODULE;// 添加字符设备到系统ret = cdev_add(&hello_dev.cdev, hello_dev.dev_num, 1);if (ret < 0) {device_destroy(hello_dev.class, hello_dev.dev_num);class_destroy(hello_dev.class);unregister_chrdev_region(hello_dev.dev_num, 1);printk(KERN_ERR "Failed to add character device\n");return ret;}printk(KERN_INFO "Hello device initialized. Major: %d, Minor: %d\n", MAJOR(hello_dev.dev_num), MINOR(hello_dev.dev_num));return 0;
}// 模块卸载函数
static void __exit hello_exit(void) {cdev_del(&hello_dev.cdev);device_destroy(hello_dev.class, hello_dev.dev_num);class_destroy(hello_dev.class);unregister_chrdev_region(hello_dev.dev_num, 1);printk(KERN_INFO "Hello device removed\n");
}module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple hello world character device driver");

函数接口详解

1. 模块初始化与退出相关函数

alloc_chrdev_region

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);

• 功能：动态分配一组连续的字符设备号。
• 参数
  • dev：用于存储分配到的设备号。
  • baseminor：起始的次设备号。
  • count：要分配的设备号数量。
  • name：设备的名称，用于在 /proc/devices 中显示。
• 返回值：成功返回 0，失败返回负数错误码。

class_create

struct class *class_create(struct module *owner, const char *name);

• 功能：在 /sys/class 目录下创建一个设备类。
• 参数
  • owner：指向模块的指针，通常为 THIS_MODULE。
  • name：类的名称。
• 返回值：成功返回指向 struct class 的指针，失败返回错误指针。

device_create

struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...);

• 功能：在 /sys/class/<class_name> 目录下创建设备节点，并在 /dev 目录下创建对应的设备文件。
• 参数
  • class：指向设备类的指针。
  • parent：父设备指针，通常为 NULL。
  • devt：设备号。
  • drvdata：设备驱动数据，通常为 NULL。
  • fmt：设备名称的格式化字符串。
• 返回值：成功返回指向 struct device 的指针，失败返回错误指针。

cdev_init

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops);

• 功能：初始化字符设备结构体 struct cdev，并关联文件操作结构体 struct file_operations。
• 参数
  • cdev：指向 struct cdev 的指针。
  • fops：指向 struct file_operations 的指针。

cdev_add

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);

• 功能：将字符设备添加到内核中。
• 参数
  • p：指向 struct cdev 的指针。
  • dev：设备号。
  • count：设备数量。
• 返回值：成功返回 0，失败返回负数错误码。

module_init 和 module_exit

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

• 功能：分别指定模块加载和卸载时调用的函数。

2. 文件操作相关函数

• 在 Linux 内核中，struct file_operations 结构体是字符设备驱动与用户空间进行交互的关键桥梁，其中 open、read、write 和 release 是比较常用的操作函数。

  struct file_operations` 结构体中相关成员介绍

  open 函数

  int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp);
  

  • 功能：当用户空间使用 open() 系统调用打开设备文件时，内核会调用驱动中注册的 open 函数。该函数通常用于执行设备的初始化操作，如分配资源、检查设备状态等。
  • 参数
    • struct inode *inode：指向文件对应的索引节点，包含了文件的元信息，如文件类型、权限等。
    • struct file *filp：指向文件对象，代表了一个打开的文件实例，包含了文件的当前状态、偏移量等信息。
  • 返回值：成功时返回 0，失败时返回负数错误码。

  read 函数

  ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos);
  

  • 功能：当用户空间使用 read() 系统调用从设备文件读取数据时，内核会调用驱动中的 read 函数。该函数负责将设备中的数据复制到用户空间的缓冲区。
  • 参数
    • struct file *filp：指向文件对象。
    • char __user *buf：用户空间的缓冲区指针，用于存储从设备读取的数据。
    • size_t count：用户请求读取的字节数。
    • loff_t *f_pos：文件的当前偏移量指针，可通过修改该指针来更新文件的读写位置。
  • 返回值：成功时返回实际读取的字节数，返回 0 表示已到达文件末尾，失败时返回负数错误码。

  write 函数

  ssize_t (*write) (struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos);
  

  • 功能：当用户空间使用 write() 系统调用向设备文件写入数据时，内核会调用驱动中的 write 函数。该函数负责将用户空间缓冲区中的数据复制到设备中。
  • 参数
    • struct file *filp：指向文件对象。
    • const char __user *buf：用户空间的缓冲区指针，包含了要写入设备的数据。
    • size_t count：用户请求写入的字节数。
    • loff_t *f_pos：文件的当前偏移量指针。
  • 返回值：成功时返回实际写入的字节数，失败时返回负数错误码。

  release 函数

  int (*release) (struct inode *inode, struct file *filp);
  

  • 功能：当用户空间使用 close() 系统调用关闭设备文件时，内核会调用驱动中的 release 函数。该函数通常用于执行设备的清理操作，如释放资源、关闭设备等。
  • 参数
    • struct inode *inode：指向文件对应的索引节点。
    • struct file *filp：指向文件对象。
  • 返回值：成功时返回 0，失败时返回负数错误码。

3. 模块卸载相关函数

cdev_del

void cdev_del(struct cdev *p);

• 功能：从内核中移除字符设备。
• 参数
  • p：指向 struct cdev 的指针。

device_destroy

void device_destroy(struct class *class, dev_t devt);

• 功能：销毁 /sys/class/<class_name> 目录下的设备节点和 /dev 目录下的设备文件。
• 参数
  • class：指向设备类的指针。
  • devt：设备号。

class_destroy

void class_destroy(struct class *cls);

• 功能：销毁 /sys/class 目录下的设备类。
• 参数
  • cls：指向 struct class 的指针。

unregister_chrdev_region

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);

• 功能：释放之前分配的字符设备号。
• 参数
  • from：起始的设备号。
  • count：要释放的设备号数量。

编译和测试

编写 Makefile

obj-m += helloworld.o
KDIR := linux-5.15.18/
PWD := $(shell pwd)
default:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

将 linux-5.15.18/ 替换为实际的 Linux 5.15.18 内核源码路径。

编译驱动

在终端中执行 make 命令编译驱动模块。

测试驱动

在 QEMU 终端中：

1. 使用 insmod helloworld.ko 加载驱动模块。
2. 使用 echo “Hello World” > /dev/helloworld 向设备写入数据。
3. 使用 cat /dev/helloworld 从设备读取数据。
4. 使用 rmmod hello_chrdev.ko 卸载驱动模块。