Linux下的驱动开发一_linux device drivers-优快云博客

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设备驱动

设备驱动程序（Device Driver）是操作系统中的一种软件组件，负责管理和控制计算机硬件设备的工作。驱动程序通过提供操作系统和硬件设备之间的接口，使得操作系统和应用程序能够与硬件设备进行交互，而无需了解硬件的具体细节。
主要功能
- 硬件抽象：设备驱动程序屏蔽了硬件的复杂性，提供了统一的接口。
- 设备控制：设备驱动程序负责管理硬件设备的初始化、配置、运行和关闭。
- 中断处理：很多硬件设备通过中断与CPU通信。设备驱动程序要能够处理这些中断信号，并在需要的时候通知操作系统进行相应的处理。
- 数据传输：设备驱动程序通常负责在设备和主存储器之间传输数据。
- 设备管理：设备驱动程序还负责管理设备资源的分配和访问，确保多个进程或线程能够安全地访问同一个硬件设备。
分类
- 字符设备驱动：处理按字符流进行输入输出的设备，例如串口、键盘等。这类设备允许按字符读取或写入数据。
- 块设备驱动：处理按数据块读写的设备，例如硬盘、固态硬盘等。这类设备允许随机访问数据。
- 网络设备驱动：处理网络接口设备的驱动程序，负责在操作系统与网络硬件之间传输数据。
Linux中的设备驱动

在Linux系统中，设备驱动程序一般以内核模块（Kernel Module）的形式存在，可以动态地加载和卸载。
设备驱动开发者需要了解Linux内核的编程接口（API）以及设备驱动的体系结构。

驱动开发流程步骤
1. 注册设备：通过适当的API将设备驱动程序注册到内核中，以便内核能够识别并管理设备。
2. 实现文件操作接口：Linux中的设备通常以文件的形式呈现，设备驱动需要实现诸如open()、read()、write()等文件操作接口。
3. 处理中断：如果设备支持中断，驱动程序需要注册中断处理程序，处理硬件中断请求。
4. 内存映射：某些设备可能需要将硬件寄存器或内存区域映射到用户空间，以提高数据传输效率。

一、内核模块

可以动态加载和卸载的代码段，用来扩展或修改Linux内核的功能，而无需重启系统或重新编译内核。
内核模块可以在系统运行时通过insmod命令加载到内核中，或者通过rmmod命令卸载，而无需重启系统。
通过内核模块机制，内核的功能可以按需扩展。
内核模块直接运行在内核空间，与内核共享相同的地址空间，因此模块能够直接访问内核的功能和数据结构。
一个简单的内核模块例子

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>

MODULE_LICENSE("GPL");               // 指定GPL许可证
MODULE_AUTHOR("Author Name");        // 作者信息
MODULE_DESCRIPTION("A Simple Kernel Module");  // 模块描述

// 初始化函数
static int __init my_module_init(void)
{
   
    printk(KERN_INFO "Hello, Kernel! My module has been loaded.\n");
    return 0;  // 返回0表示加载成功
}

// 退出函数
static void __exit my_module_exit(void)
{
   
    printk(KERN_INFO "Goodbye, Kernel! My module has been unloaded.\n");
}

// 指定初始化和退出函数
module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);

二、内核模块必须包含的部分

模块初始化函数（module_init）：这是内核加载模块时调用的函数，用来初始化模块，注册设备驱动或其他功能。通常通过module_init()宏指定初始化函数。
模块退出函数（module_exit）：这是在卸载模块时调用的函数，用于清理资源、注销设备驱动等。通过module_exit()宏指定退出函数。
模块许可证声明（MODULE_LICENSE）：指定模块的许可证类型，通常为"GPL"（GNU General Public License），表明模块可以与内核兼容，否则内核可能拒绝加载非GPL的模块。

三、常用的模块指令

lsmod ：列出已加载的模块
lsmod 用于显示当前内核中加载的模块列表。它读取 /proc/modules 文件，并以更友好的格式显示已加载的模块。
modinfo - 显示模块的详细信息
modinfo 用于显示已加载模块或模块文件的详细信息，例如作者、许可证、依赖项等。你可以使用它来查看内核模块的元数据。
$m o d in f o 模块名$
insmod - 手动加载模块
insmod 是一个用于手动加载模块到内核的命令。它需要指定模块的完整路径（通常是.ko文件）。不指定的话，默认为当前目录
rmmod - 卸载模块
rmmod 用于卸载已经加载的模块。它会移除指定的模块，并解除与之相关的依赖关系。如果模块正在被其他模块使用或正在使用的资源没有被释放，它会阻止卸载。不用加ko
dmesg - 查看内核日志
dmesg 用于查看内核日志输出。加载或卸载内核模块时，内核日志会记录相关信息，比如模块加载成功与否、是否存在错误等。

如果模块加载时有任何 printk() 输出，它应该出现在 dmesg 中。你可以使用 grep 来过滤特定的输出，

dmesg | grep "Device registered"
找到所有包含 Device registered 的日志条目，这些通常是由 printk 函数输出的设备注册信息（假设驱动程序中有 printk("Device registered...") 这样的语句）。

dmesg | grep my_module//查询特定模块的日志信息

一、字符设备驱动

注册字符设备

在字符设备驱动中，首先要将设备注册到系统中。Linux内核通过register_chrdev()或**alloc_chrdev_region()**函数分配设备号，并注册字符设备。
- register_chrdev()：用于直接注册字符设备。
- alloc_chrdev_region()：用于动态分配主设备号。

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, const char *name);
参数:
	dev_t *dev:指向保存设备号的变量的指针。该函数成功执行后，会通过这个指针将分配到的主设备号和次设备号返回给调用者。包含了主设备号和次设备号。在设备注册时，系统通过 dev_t 识别不同的设备。
	unsigned int firstminor:表示要分配的第一个次设备号（minor number）。通常设置为 0，表示从第一个次设备号开始。
	unsigned int count:表示需要分配的连续次设备号的数量。对于一个简单的字符设备，通常设置为 1。
如果你希望一个驱动程序支持多个次设备，可以设置 count 为更大的值。
	const char *name:设备的名称，它通常是一个用于标识设备的字符串。例如，你可以将它设置为你的驱动程序名称或设备名称。
	
返回值:
	成功时返回 0，表示设备号分配成功。
	失败时返回负数的错误代码（如 -ENOMEM，表示内存不足）。

使用范例

static int major;
static int minor;
 dev_t dev;
    if (alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "my_device") < 0) {
   
        printk(KERN_ERR "Failed to allocate device number.\n");
        return -1;
    }
major = MAJOR(dev);//获取主设备号 
minor = MINOR(dev);//获取从设备号

定义file_operation结构

file_operations结构体是字符设备驱动的核心，定义了设备的各种操作接口。需要实现其中几个函数来支持常见的文件操作。
常见的几个

static struct file_operations fops = {
   
    .open = device_open,     // 打开设备
    .release = device_release,  // 关闭设备
    .read = device_read,     // 读取设备数据
    .write = device_write,   // 写入设备数据
};

实现设备操作函数

static int device_open(struct inode *inode, struct file *file) {
   
    printk(KERN_INFO "Device opened.\n");
    return 0;
}
static int device_release(struct inode *inode, struct file *file) {
   
    printk(KERN_INFO "Device closed.\n");
    return 0;
等等

注册和注销字符设备

注册字符设备并将设备号绑定到file_operations结构体。通常在模块加载时完成这一过程
声明字符设备结构体，用于表示并管理驱动程序中的一个字符设备。之后可以通过 cdev_init() 初始化它，通过 cdev_add() 将它注册到内核，使其作为字符设备提供给用户使用。
class_create
- 用于在 Linux 内核中创建一个设备类的函数。
- 设备类是用于分组和管理设备的抽象概念，它使得多个相似类型的设备可以被组织和识别，比如分为字符设备、块设备等。
- 通常，在字符设备驱动程序开发中，创建设备类是用于创建 /sys/class 下的设备节点目录，以便用户空间可以通过 /dev 目录访问设备文件。

struct class *class_create(struct module *owner, const char *name);
参数:
	owner:指向拥有该类的模块。通常设置为 THIS_MODULE
	name:类的名称，用于识别和创建类目录。它会出现在 /sys/class/ 目录下。
返回值:
	class_create 成功时会返回一个指向 struct class 的指针，表示创建的类。如果失败，返回 ERR_PTR(-ENOMEM) 或者其他负值错误指针。

device_create 是用于在 Linux 内核中创建设备节点的函数，常与 class_create 搭配使用。它会在 /sys/class/ 下创建设备相关的目录，并且通常会在 /dev 下创建设备文件，以供用户空间使用。用户可以通过该设备文件与内核中的字符设备进行交互，比如使用 open、read、write 系统调用。

struct device *device_create(struct class *cls, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...);
参数:
	cls: 指向通过 class_create 创建的设备类（struct class）。它指定了该设备属于哪个设备类，即设备会被归属到 /sys/class/cls_name/ 目录下。
	parent: 设备的父设备。如果当前设备没有父设备（通常在多数情况下是 NULL），传 NULL 即可。
	devt: 设备号，类型为 dev_t。这是通过 MKDEV(major, minor) 创建的一个 32 位的设备号，包含主设备号和次设备号，标识设备在系统中的唯一性。
	drvdata: 驱动私有数据的指针。这个指针通常会指向设备的私有数据，设备驱动可以通过该指针存储和管理与设备相关的数据。
	fmt: 设备名称格式字符串。设备文件的名称可以使用格式化字符串，类似于 printf。例如，可以为设备命名为 "my_device%d"，其中 %d 表示动态分配的设备号或某些其他标识符。

在这里插入图片描述

static struct cdev my_cdev;

驱动初始化函数
- 主要任务
  - 分配和注册设备号 register_chrdev_region()
  - 初始化 cdev 结构体 cdev_init(&my_cdev, &fops);
  - 将 cdev 添加到系统中 cdev_add(&my_cdev, dev, 1);
  - 创建设备类，并在设备类下创建设备文件节点

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>  // 设备类和设备节点所需的头文件

static int major;            // 存储主设备号
static dev_t dev;            // 存储设备号（包含主设备号和次设备号）
static struct cdev my_cdev;  // 定义字符设备结构体
static struct class *my_class = NULL;  // 设备类，用于设备节点的创建
static struct device *my_device = NULL; // 设备节点
extern struct file_operations fops;  // 假设文件操作函数集合在其他地方定义

// 模块初始化函数
static int __init my_driver_init(void) {
   
    int ret;

    // 动态分配设备号
    // dev：指向设备号变量的指针，用于存储分配到的设备号
    // 0：从次设备号0开始分配
    // 1：分配一个次设备号
    // "my_device"：设备名称，用于区分设备
    ret = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "my_device");
    if (ret < 0