【正点原子Linux连载】第四十章 字符设备驱动开发 -摘自【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南V1.0

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第四十章 字符设备驱动开发

本章我们从Linux驱动开发中最基础的字符设备驱动开始，重点学习Linux下字符设备驱动开发框架。本章会以一个虚拟的设备为例，讲解如何进行字符设备驱动开发，以及如何编写测试APP来测试驱动工作是否正常，为以后的学习打下坚实的基础。

40.1 字符设备驱动简介 字符设备是Linux驱动中最基本的一类设备驱动，字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的点灯、按键、IIC、SPI，LCD等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。 在详细的学习字符设备驱动架构之前，我们先来简单的了解一下Linux下的应用程序是如何调用驱动程序的，Linux应用程序对驱动程序的调用如图40.1.1所示：

图40.1.1 Linux应用程序对驱动程序的调用流程 在Linux中一切皆为文件，驱动加载成功以后会在“/dev”目录下生成一个相应的文件，应用程序通过对这个名为“/dev/xxx”(xxx是具体的驱动文件名字)的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。比如现在有个叫做/dev/led的驱动文件，此文件是led灯的驱动文件。应用程序使用open函数来打开文件/dev/led，使用完成以后使用close函数关闭/dev/led这个文件。open和close就是打开和关闭led驱动的函数，如果要点亮或关闭led，那么就使用write函数来操作，也就是向此驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是要打开led的控制参数。如果要获取led灯的状态，就用read函数从驱动中读取相应的状态。 应用程序运行在用户空间，而Linux驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。当我们在用户空间想要实现对内核的操作，比如使用open函数打开/dev/led这个驱动，因为用户空间不能直接对内核进行操作，因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间“陷入”到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。open、close、write和read等这些函数是由C库提供的，在Linux系统中，系统调用作为C库的一部分。当我们调用open函数的时候流程如图40.1.2所示：

图40.1.2 open函数调用流程 其中关于C库以及如何通过系统调用“陷入”到内核空间这个我们不用去管，我们重点关注的是应用程序和具体的驱动，应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数，比如应用程序中调用了open这个函数，那么在驱动程序中也得有一个名为open的函数。每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数，在Linux内核文件 include/linux/fs.h中有个叫做file_operations的结构体，此结构体就是Linux内核驱动操作函数集合，内容如下所示： 示例代码40.1.1 file_operations结构体

1588 struct file_operations {
1589    struct module *owner;
1590    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
1591    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
1592    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
1593    ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
1594    ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
1595    int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
1596    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
1597    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
1598    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
1599    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
1600    int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
1601    int (*open) (struct inode *, struct file *);
1602    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
1603    int (*release) (struct inode *, struct file *);
1604    int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
1605    int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
1606    int (*fasync) (int, struct file *, int);
1607    int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
1608    ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
1609    unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
1610    int (*check_flags)(int);
1611    int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
1612    ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
1613    ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
1614    int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
1615    long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
1616              loff_t len);
1617    void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
1618 #ifndef CONFIG_MMU
1619    unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
1620 #endif
1621 };

简单介绍一下file_operation结构体中比较重要的、常用的函数：

第1589行，owner拥有该结构体的模块的指针，一般设置为THIS_MODULE。 第1590行，llseek函数用于修改文件当前的读写位置。 第1591行，read函数用于读取设备文件。 第1592行，write函数用于向设备文件写入(发送)数据。 第1596行，poll是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。 第1597行，unlocked_ioctl函数提供对于设备的控制功能，与应用程序中的ioctl函数对应。 第1598行，compat_ioctl函数与unlocked_ioctl函数功能一样，区别在于在64位系统上，32位的应用程序调用将会使用此函数。在32位的系统上运行32位的应用程序调用的是unlocked_ioctl。 第1599行，mmap函数用于将将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间)，一般帧缓冲设备会使用此函数，比如LCD驱动的显存，将帧缓冲(LCD显存)映射到用户空间中以后应用程序就可以直接操作显存了，这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。 第1601行，open函数用于打开设备文件。 第1603行，release函数用于释放(关闭)设备文件，与应用程序中的close函数对应。 第1604行，fasync函数用于刷新待处理的数据，用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。 第1605行，aio_fsync函数与fasync函数的功能类似，只是aio_fsync是异步刷新待处理的数据。 在字符设备驱动开发中最常用的就是上面这些函数，关于其他的函数大家可以查阅相关文档。我们在字符设备驱动开发中最主要的工作就是实现上面这些函数，不一定全部都要实现，但是像open、release、write、read等都是需要实现的，当然了，具体需要实现哪些函数还是要看具体的驱动要求。 40.2 字符设备驱动开发步骤 上一小节我们简单的介绍了一下字符设备驱动，那么字符设备驱动开发都有哪些步骤呢？我们在学习裸机或者STM32的时候关于驱动的开发就是初始化相应的外设寄存器，在Linux驱动开发中肯定也是要初始化相应的外设寄存器，这个是毫无疑问的。只是在Linux驱动开发中我们需要按照其规定的框架来编写驱动，所以说学Linux驱动开发重点是学习其驱动框架。 40.2.1 驱动模块的加载和卸载 Linux驱动有两种运行方式，第一种就是将驱动编译进Linux内核中，这样当Linux内核启动的时候就会自动运行驱动程序。第二种就是将驱动编译成模块(Linux下模块扩展名为.ko)，在Linux内核启动以后使用“insmod”命令加载驱动模块。在调试驱动的时候一般都选择将其编译为模块，这样我们修改驱动以后只需要编译一下驱动代码即可，不需要编译整个Linux代码。而且在调试的时候只需要加载或者卸载驱动模块即可，不需要重启整个系统。总之，将驱动编译为模块最大的好处就是方便开发，当驱动开发完成，确定没有问题以后就可以将驱动编译进Linux内核中，当然也可以不编译进Linux内核中，具体看自己的需求。 模块有加载和卸载两种操作，我们在编写驱动的时候需要注册这两种操作函数，模块的加载和卸载注册函数如下： module_init(xxx_init); //注册模块加载函数 module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数 module_init函数用来向Linux内核注册一个模块加载函数，参数xxx_init就是需要注册的具体函数，当使用“insmod”命令加载驱动的时候，xxx_init这个函数就会被调用。module_exit()函数用来向Linux内核注册一个模块卸载函数，参数xxx_exit就是需要注册的具体函数，当使用“rmmod”命令卸载具体驱动的时候xxx_exit函数就会被调用。字符设备驱动模块加载和卸载模板如下所示： 示例代码40.2.1.1 字符设备驱动模块加载和卸载函数模板

1  /* 驱动入口函数 */
2  static int __init xxx_init(void)
3  {
4   	/* 入口函数具体内容 */
5   	return 0;
6  }
7  
8  /* 驱动出口函数 */
9  static void __exit xxx_exit(void)
10 {
11  	/* 出口函数具体内容 */
12 }
13 
14 /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
15 module_init(xxx_init);
16 module_exit(xxx_exit);

第2行，定义了个名为xxx_init的驱动入口函数，并且使用了“__init”来修饰。
第9行，定义了个名为xxx_exit的驱动出口函数，并且使用了“__exit”来修饰。
第15行，调用函数module_init来声明xxx_init为驱动入口函数，当加载驱动的时候xxx_init函数就会被调用。
第16行，调用函数module_exit来声明xxx_exit为驱动出口函数，当卸载驱动的时候xxx_exit函数就会被调用。
驱动编译完成以后扩展名为.ko，有两种命令可以加载驱动模块：insmod和modprobe，insmod是最简单的模块加载命令，此命令用于加载指定的.ko模块，比如加载drv.ko这个驱动模块，命令如下：

insmod drv.ko insmod命令不能解决模块的依赖关系，比如drv.ko依赖first.ko这个模块，就必须先使用insmod命令加载first.ko这个模块，然后再加载drv.ko这个模块。但是modprobe就不会存在这个问题，modprobe会分析模块的依赖关系，然后会将所有的依赖模块都加载到内核中，因此modprobe命令相比insmod要智能一些。modprobe命令主要智能在提供了模块的依赖性分析、错误检查、错误报告等功能，推荐使用modprobe命令来加载驱动。modprobe命令默认会去/lib/modules/目录中查找模块，比如本书使用的Linux kernel的版本号为4.1.15，因此modprobe命令默认会到/lib/modules/4.1.15这个目录中查找相应的驱动模块，一般自己制作的根文件系统中是不会有这个目录的，所以需要自己手动创建。 驱动模块的卸载使用命令“rmmod”即可，比如要卸载drv.ko，使用如下命令即可： rmmod drv.ko 也可以使用“modprobe -r”命令卸载驱动，比如要卸载drv.ko，命令如下： modprobe -r drv.ko 使用modprobe命令可以卸载掉驱动模块所依赖的其他模块，前提是这些依赖模块已经没有被其他模块所使用，否则就不能使用modprobe来卸载驱动模块。所以对于模块的卸载，还是推荐使用rmmod命令。 40.2.2 字符设备注册与注销 对于字符设备驱动而言，当驱动模块加载成功以后需要注册字符设备，同样，卸载驱动模块的时候也需要注销掉字符设备。字符设备的注册和注销函数原型如下所示: static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops) static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name) register_chrdev函数用于注册字符设备，此函数一共有三个参数，这三个参数的含义如下： major：主设备号，Linux下每个设备都有一个设备号，设备号分为主设备号和次设备号两部分，关于设备号后面会详细讲解。 name：设备名字，指向一串字符串。 fops：结构体file_operations类型指针，指向设备的操作函数集合变量。 unregister_chrdev函数用户注销字符设备，此函数有两个参数，这两个参数含义如下： major：要注销的设备对应的主设备号。 name：要注销的设备对应的设备名。 一般字符设备的注册在驱动模块的入口函数xxx_init中进行，字符设备的注销在驱动模块的出口函数xxx_exit中进行。在示例代码40.2.2.1中字符设备的注册和注销，内容如下所示： 示例代码40.2.2.1 加入字符设备注册和注销

1  static struct file_operations test_fops;
2 
3  /* 驱动入口函数 */
4  static int __init xxx_init(void)
5  {
6   	/* 入口函数具体内容 */
7   	int retvalue = 0;
8 
9   	/* 注册字符设备驱动 */
10  	retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops);
11  	if(retvalue