字符设备驱动初体验（hello驱动）

1 APP打开的文件在内核中如何表示

APP 打开文件时，可以得到一个整数，这个整数被称为文件句柄。对于 APP 的每一个文件句柄，在内核里面都有一个“struct file”与之对应。

可以猜测，我们使用 open 打开文件时，传入的 flags、mode 等参数会被记录在内核中对应的 struct file 结构体里(f_flags、f_mode)：int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);

去读写文件时，文件的当前偏移地址也会保存在 struct file 结构体的 f_pos 成员里。

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2 打开字符设备节点时，内核中也有对应的 struct file

注意这个结构体中的结构体：struct file_operations *f_op，这是由驱动程序提供的。

结构体 struct file_operations 的定义如下：

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3 驱动程序编写的步骤

① 确定主设备号，也可以让内核分配。
② 定义自己的 file_operations 结构体。
③ 实现对应的 drv_open/drv_read/drv_write 等函数，填入 file_operations 结构体。
④ 把 file_operations 结构体告诉内核：register_chrdev。
⑤ 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数 。
⑥ 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，出口函数调用 unregister_chrdev。
⑦ 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点：class_create, device_create。

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4 驱动程序编写

4.1 写驱动程序

参考 driver/char 中的程序，包含头文件，写框架，传输数据：
A. 驱动中实现 open, read, write, release，APP 调用这些函数时，都打印内核信息
B. APP 调用 write 函数时，传入的数据保存在驱动中
C. APP 调用 read 函数时，把驱动中保存的数据返回给 APP

hello_drv.c

#include <linux/module.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>

/* 1. 确定主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static char kernel_buf[1024];
static struct class *hello_class;


#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)

/* 3. 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体                   */
static ssize_t hello_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	err = copy_to_user(buf, kernel_buf, MIN(1024, size));
	return MIN(1024, size);
}

static ssize_t hello_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	err = copy_from_user(kernel_buf, buf, MIN(1024, size));
	return MIN(1024, size);
}

static int hello_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

static int hello_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

/* 2. 定义自己的file_operations结构体                                              */
static struct file_operations hello_drv = {
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.open    = hello_drv_open,
	.read    = hello_drv_read,
	.write   = hello_drv_write,
	.release = hello_drv_close,
};

/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序                                */
/* 5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数 */
static int __init hello_init(void)
{
	int err;
	
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	major = register_chrdev(0, "hello", &hello_drv);  /* /dev/hello */


	hello_class = class_create(THIS_MODULE, "hello_class");
	err = PTR_ERR(hello_class);
	if (IS_ERR(hello_class)) {
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		unregister_chrdev(major, "hello");
		return -1;
	}
	
	device_create(hello_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "hello"); /* /dev/hello */
	
	return 0;
}

/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数           */
static void __exit hello_exit(void)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	device_destroy(hello_class, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(hello_class);
	unregister_chrdev(major, "hello");
}


/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点                                     */

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

4.2 写测试程序

测试程序要实现写、读功能：
A. ./hello_drv_test -w wiki.100ask.net // 把字符串“wiki.100ask.net”发给驱动程序
B. ./hello_drv_test -r // 把驱动中保存的字符串读回来

hello_drv_test.c

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

/*
 * ./hello_drv_test -w abc
 * ./hello_drv_test -r
 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	char buf[1024];
	int len;
	
	/* 1. 判断参数 */
	if (argc < 2) 
	{
		printf("Usage: %s -w <string>\n", argv[0]);
		printf("       %s -r\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	/* 2. 打开文件 */
	fd = open("/dev/hello", O_RDWR);
	if (fd == -1)
	{
		printf("can not open file /dev/hello\n");
		return -1;
	}

	/* 3. 写文件或读文件 */
	if ((0 == strcmp(argv[1], "-w")) && (argc == 3))
	{
		len = strlen(argv[2]) + 1;
		len = len < 1024 ? len : 1024;
		write(fd, argv[2], len);
	}
	else
	{
		len = read(fd, buf, 1024);		
		buf[1023] = '\0';
		printf("APP read : %s\n", buf);
	}
	
	close(fd);
	
	return 0;
}

4.3 测试

编写驱动程序的 Makefile：

# 1. 使用不同的开发板内核时, 一定要修改KERN_DIR
# 2. KERN_DIR中的内核要事先配置、编译, 为了能编译内核, 要先设置下列环境变量:
# 2.1 ARCH,          比如: export ARCH=arm64
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# 2.3 PATH,          比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_roc-rk3399-pc/ToolChain-6.3.1/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin 
# 注意: 不同的开发板不同的编译器上述3个环境变量不一定相同,
#       请参考各开发板的高级用户使用手册

KERN_DIR = /home/book/100ask_roc-rk3399-pc/linux-4.4

all:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 
	$(CROSS_COMPILE)gcc -o hello_drv_test hello_drv_test.c 

clean:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
	rm -rf modules.order
	rm -f hello_drv_test

obj-m	+= hello_drv.o

上机实验：

1. 安装驱动程序

insmod hello_drv.ko

2. 查看驱动文件及卸载驱动

cat /proc/devices		// 查看所有的驱动设备及其主设备号
ls /dev/hello -l 		// 驱动程序会生成设备节点
lsmod					// 查看所有驱动
rmmod hello_drv		// 移除驱动

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参考资料：

1. 韦东山全系列视频第1季快速入门