linux2.6標準字元裝置驅動模型（手動註冊）

阿新 • • 發佈：2019-01-30

linux2.6標準字元裝置核心結構

//雖然linux26有核心結構體，但在程式碼中沒有具體操作，他們的呼叫在相關注冊函式中對其有操作
struct cdev {
    struct kobject kobj;
    struct module *owner;
    const struct file_operations *ops;
    struct list_head list;
    dev_t dev;
    unsigned int count;
};

關鍵成員介紹

ops
檔案操作集合
dev
32位裝置號，包含主裝置號和次裝置號
count
佔用連續的次裝置號數量，從dev中的次裝置號開始

其餘成員與系統呼叫相關，使用者不用配置

裝置號

linux2.6以後用dev_t 32位整數表示裝置號，實質是u32型別，其中高12位是主裝置號，低20位是次裝置號。
主裝置號：dev_t高12位，2^12=4K，（10是給雜項裝置使用的）
早期字元裝置範圍：0~255 Linux2.6是0~4095
次裝置號：dev_t低20位，2^20=1M
早期字元裝置範圍：0~255（主裝置號一旦註冊，下屬次裝置號全部被註冊）， Linux2.6是0~1M-1
合成裝置號：
MKDEV(ma，mi);ma:主裝置號；mi：次裝置號
分解裝置號：
MAJOR(dev)

MINOR(dev)
核心中定義

#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))

特徵

安裝後不會在/dev目錄下建立裝置檔案節點，需要手動mknod

建立
呼叫一個cdev_add註冊後，指定數量的次裝置號將被佔用，數量自己制定，一個主裝置號可以被cdev_add註冊多次。
裝置號使用前需要提前申請，register_chrdev_region靜態分配，或alloc_chrdev_region動態分配裝置號函式申請。

裝置號申請/登出函式

靜態裝置號申請函式

//靜態申請裝置號
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
from :指定的裝置號   250  1
count ：裝置個數   5         250 1   250 2  250 3  250 4   250 5  
name： 裝置名  
返回值：成功返回0，失敗返回負數錯誤碼

標頭檔案
#include<linux/fs.h>
功能
註冊一個裝置號範圍
引數
[ ] from起始裝置號（主、次）
[ ] count連續的次裝置號數量
[ ] name裝置名，不需要和/dev的裝置名相同
[ ] 其餘引數由核心使用，使用者不直接操作
返回值
成功：返回0，失敗：返回負數

動態裝置號註冊函式

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

dev: 接收動態分配的一系列裝置號的第一個裝置號
baseminor：指定一系列裝置號的第一個裝置號的次裝置號
count ：裝置個數
name ：裝置名

返回值：成功0，失敗為負數

標頭檔案
#include<linux/fs.h>
功能
註冊一個裝置號的範圍
引數
[ ] *dev:存放分配到的第一個裝置（包含主次裝置號）
[ ] baseminor:要分配的起始次裝置號
[ ] count連續次裝置號的數量
[ ] name裝置名，不需要和/dev的裝置名相同
返回值
成功：返回0 失敗：返回負數

裝置號釋放函式

//釋放裝置號
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
from: 第一個裝置號
count：裝置個數

標頭檔案
#include<linux/fs.h>
功能
登出一個裝置號範圍
引數
[ ] from：起始裝置號（主、次）（包含主次裝置號）
[ ] count：連續的次裝置號數量
返回值
無

核心結構分配函式

struct cdev *cdev_alloc(void); //分配儲存區
功能：在堆空間中分配一個核心結構體，注意不使用時用kfree函式釋放，
引數：無
返回值：返回分配到struct cdev的結構首地址

說明：用完記得釋放，否則會造成記憶體洩漏

第一種方式：
struct cdev k；//定義變數，定以後已經有了struct cdev解構記憶體空間
第二種方式：
struct cdev *p：//這種寫法只是定義了指標，但是沒有分配struct cdev記憶體空間，p=struct_cdev();//寫在模組載入函式中

核心結構struct cdev初始化函式

初始化函式

void cdev_init(struct cdev *xxx, const struct file_operations *fops); //初始化
- 標頭檔案
#include<linux/cdev.h>
- 功能
初始化核心結構，具體的做法是清零核心結構,初始化核心結構體的list,kobj,ops成員
- 引數
- [ ] cdev：需要初始化的核心結構體
- [ ] fops：檔案操作集合函式結構體
- 返回值
無

說明：寫這種驅動模型的時候，不需要定義struct cdev結構體初始化，因為在呼叫cdev_init結構體會初始化把它請0，定義時候的初始無效

真正的設備註冊/登出函式

//註冊驅動
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
p: 核心結構體
dev：裝置號
count：裝置個數

返回值：成功返回0，失敗返回負數錯誤碼

標頭檔案
#include<linux/cdev.h>
功能
註冊一個cdev結構
引數
[ ] p:已經初始化的核心結構體指標
[ ] dev：起始裝置號（包含主次裝置號在內）
[ ] count：連續的次裝置號數量
返回值
成功：返回0 失敗：返回負數

//登出函式
void cdev_del(struct cdev *p);
p：核心結構體

標頭檔案
#include<linux/cdev.h>
功能
登出一個cdev結構
引數
p 前面註冊的struct cdev結構指標
返回
無

linux2.6標準字元裝置驅動程式設計步驟

回顧雜項裝置
定義雜項裝置核心結構體，填充核心結構體，註冊核心結構。這個過程中，使用倒推法則，實現要什麼給什麼。
linux2.6模型方法相同。

模組的初始化函式

使用cdev_alloc(void)分配cdev空間
申請裝置號：靜態或者動態申請

//靜態申請
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
//動態申請
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,
                                                    const char *name)

初始化cdev結構

void cdev_init(struct cdev *xxx, const struct file_operations *fops); //初始化

註冊已初始化好的cdev結構

//註冊驅動
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);

模組解除安裝函式做的事情和載入的函式相反，順序也相反。

登出cdev結構

void cdev_del(struct cdev *p);

釋放裝置號

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);

釋放cdev解構空間

kfree(void *p);

驅動核心

實現struct file_operations結構

示例

程式碼

#include<linux/kernel.h>
#include<linux/module.h>
#include<linux/init.h>
#include<linux/fs.h>
#include<linux/cdev.h>
#include<linux/kdev_t.h>
#include<linux/slab.h>

#define MY_DEVICE_NAME "linux26"
static struct cdev *pcdev;
static dev_t dev_no;   //第一個裝置號（包含主次）
static int major=0;

ssize_t my_device_open(struct inode *node, struct file *file)
{
   printk("my device is open\n");
   return 0;
}
ssize_t my_device_close(struct inode *node, struct file *file)
{
  printk("my device is close\n");
  return 0;
}

ssize_t my_device_read(struct file *fp, char __user *buf, size_t size, loff_t *loff)
{
  printk("my device is read\n");
  return 0;
}

ssize_t my_device_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *loff)
{
  printk("my device is write\n");
  return 0;
}


//檔案結構體
struct file_operations my_fops={
    .owner=THIS_MODULE,
    .open=my_device_open,
    .read=my_device_read,
    .write=my_device_write,
    .release=my_device_close,
};


static int __init linux26_cdev_init(void)
{
  //分配cdev空間
  pcdev=cdev_alloc();
  //動態分配裝置號 次裝置號0開始 數量為2個 名稱為巨集
  alloc_chrdev_region(&dev_no,0,2,MY_DEVICE_NAME);
  //初始化結構體
  cdev_init(pcdev,&my_fops);
  //註冊驅動
  cdev_add(pcdev,dev_no,2);
  //再去查註冊檔案很麻煩，這裡列印主裝置號方便建立節點
  major=MAJOR(dev_no);
  printk("linux26 major is %d\n",major);
  return 0;
}
static void __exit linux26_cdev_exit(void)
{
  cdev_del(pcdev);
  unregister_chrdev_region(dev_no,2);
  kfree(pcdev);
  printk("cdev module is exit\n");
}

module_init(linux26_cdev_init);
module_exit(linux26_cdev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

app程式碼

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>

int main(int argc,char *argv[])
{
  char buf[20];
  int fd = open(argv[1],O_RDWR);
    if(fd == -1)
    {
        printf("開啟失敗\n");
        return 0;
    }
    read(fd,buf,0);
    write(fd,NULL,0);
    close(fd);
    return 0;
}

Makefile

KERN_DIR = /zhangchao/linux3.5/linux-3.5
all:
    make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
clean:
    rm -f *.mod.o *.order *.symvers *.o *.mod.c
obj-m += cdev.o

模組編譯

[[email protected] zhangchao]# make
make -C /zhangchao/linux3.5/linux-3.5 M=`pwd` modules
make[1]: 進入目錄“/zhangchao/linux3.5/linux-3.5”
  CC [M]  /zhangchao/rootfs/zhangchao/cdev.o
  Building modules, stage 2.
  MODPOST 1 modules
  LD [M]  /zhangchao/rootfs/zhangchao/cdev.ko
make[1]: 離開目錄“/zhangchao/linux3.5/linux-3.5”
[[email protected] zhangchao]# ls
cdev_app.c  cdev.ko     cdev.mod.o  Makefile       Module.symvers
cdev.c      cdev.mod.c  cdev.o      modules.order
[[email protected] zhangchao]#

app 編譯

[[email protected] zhangchao]# arm-linux-gcc cdev_app.c -o cdevapp
[[email protected] zhangchao]# ls
cdevapp     cdev.c   cdev.mod.c  cdev.o    modules.order
cdev_app.c  cdev.ko  cdev.mod.o  Makefile  Module.symvers

開發板裝載模組

沒有采取自動建立裝置節點，所以/dev沒有該模組的裝置檔案節點

[root@ZC/zhangchao]#insmod cdev.ko 
[  742.520000] linux26 major is 250
[root@ZC/zhangchao]#lsmod
Module                  Size  Used by    Tainted: G  
cdev                    1518  0 
[root@ZC/zhangchao]#

通過`/proc/devices`設備註冊檔案表檢視是否安裝成功

可以看到主裝置號為250的linux26裝置識別名出現在列表中，證明註冊沒有問題。

[root@ZC/zhangchao]#cat /proc/devices 
Character devices:
  1 mem
  2 pty
  3 ttyp
  ···
189 usb_device
204 ttySAC
216 rfcomm
250 linux26
251 ttyGS
252 watchdog
253 media
254 rtc

Block devices:
  1 ramdisk
···
179 mmc
254 device-mapper

建立檔案節點

[root@ZC/zhangchao]#mknod /dev/linux26 c 250 1
[root@ZC/zhangchao]#ls /dev/linux26 -l
crw-r--r--    1 root     root      250,   1 Mar 29 16:37 /dev/linux26
[root@ZC/zhangchao]#

執行app

app呼叫驅動模組成功

[root@ZC/zhangchao]#./cdevapp /dev/linux26 
[ 1345.240000] my device is open
[ 1345.240000] my device is read
[ 1345.240000] my device is write
[ 1345.240000] my device is close
[root@ZC/zhangchao]#

思考下面的問題

[root@ZC/zhangchao]#rm /dev/linux26 
[root@ZC/zhangchao]#mknod /dev/linux26 c 250 2
[root@ZC/zhangchao]#./cdevapp /dev/linux26 
開啟失敗
[root@ZC/zhangchao]#rm /dev/linux26 
[root@ZC/zhangchao]#mknod /dev/linux26 c 250 1
[root@ZC/zhangchao]#./cdevapp /dev/linux26 
[ 1564.045000] my device is open
[ 1564.045000] my device is read
[ 1564.045000] my device is write
[ 1564.045000] my device is close
[root@ZC/zhangchao]#

如果將次裝置號定義為2，執行app將不能執行驅動模組,這是為什麼呢？因為我們註冊時，申請的次裝置號數量為兩個，在主裝置號下其他次裝置號沒有被佔用的情況下，所以只有0和1可以被註冊，裝置號為2時，他將是次裝置號的第三個

解除安裝驅動模組

[root@ZC/zhangchao]#rmmod cdev.ko 
[ 1977.955000] cdev module is exit
[root@ZC/zhangchao]#