字符设备驱动开发

提示：文章写完后，目录可以自动生成，如何生成可参考右边的帮助文档

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前言

提示：这里可以添加本文要记录的大概内容：

例如：随着人工智能的不断发展，机器学习这门技术也越来越重要，很多人都开启了学习机器学习，本文就介绍了机器学习的基础内容。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、字符设备驱动开发步骤

chrdevbase 字符设备驱动开发实验程序

chrdevbase.c

#include <linux/module.h>

static int __init chrdevbase_init(void)
{
   printk("chrdevbase_init()\r\n"); // 显示在终端
    return 0;
}

static void __exit chrdevbase_exit(void)
{
	printk("chrdevbase_exit()\r\n"); // 显示在终端
}

module_init(chrdevbase_init);
module_exit(chrdevbase_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zero");

chrdevbase_open 函数，当应用程序调用 open 函数的时候此函数就会调用，本例程中我们没有做任何工作，只是输出一串字符，用于调试。这里使用了 printk 来输出信息，而不是 printf！因为在 Linux 内核中没有 printf 这个函数。 printk 相当于 printf 的孪生兄妹， printf运行在用户态， printk 运行在内核态。在内核中想要向控制台输出或显示一些内容，必须使用printk 这个函数。

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

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。
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。
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。

cd lib
mkdir modules
cd modules
mkdir 4.1.15

将编译好的驱动放入4.1.15内
打开虚拟机/home/zero/linux/IMX6ULL/Linux_Drivers/1_chrdevbase内的.ko文件复制到4.1.15内

cd /home/zero/linux/IMX6ULL/Linux_Drivers/1_chrdevbase
sudo cp chrdevbase.ko /home/zero/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/ -f //将.ko文件复制到4.1.15内

在xshell内/lib/modules/4.1.15目录下，输入modprobe chrdevbase.ko,

但modprobe 提示无法打开“modules.dep”这个文件，因此驱动挂载失败了。我们不用手动创建 modules.dep 这个文件，直接输入 depmod 命令即可自动生成modules.dep，有些根文件系统可能没有 depmod 这个命令，如果没有这个命令就只能重新配置busybox，使能此命令，然后重新编译 busybox。输入“depmod”命令以后会自动生成 modules.alias、modules.symbols 和 modules.dep 这三个文件，如图 所示：
输入“lsmod”命令即可查看当前系统中存在的模块

第一次编译缺少模块信息，后面再编译就没了，也可再第四步添加license

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。

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。字符设备的注册和注销，内容如下所示：

#include <linux/module.h>

static int __init chrdevbase_init(void)
{
    int ret = 0;    
        /* 注册字符设备 */
    ret = register_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME, &chrdevbase_fops);
    printk("chrdevbase_init()\r\n"); // 显示在终端
    return 0;
    
}

static void __exit chrdevbase_exit(void)
{
    printk("chrdevbase_exit()\r\n"); // 显示在终端
        /* 注销字符设备 */
    unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME);
}

module_init(chrdevbase_init);
module_exit(chrdevbase_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zero");

要注意的一点就是，选择没有被使用的主设备号，输入命令

cat /proc/devices

可以查看当前已经被使用掉的设备号，如图 40.2.2.1 所示(限于篇幅原因，只展示一部分)：

3 实现设备的具体操作函数

file_operations 结构体就是设备的具体操作函数，在示例代码 40.2.2.1 中我们定义了file_operations结构体类型的变量test_fops，但是还没对其进行初始化，也就是初始化其中的open、release、 read 和 write 等具体的设备操作函数。本小节我们就完成变量 test_fops 的初始化，设置好针对 chrtest 设备的操作函数。在初始化 test_fops 之前我们要分析一下需求，也就是要对 chrtest这个设备进行哪些操作，只有确定了需求以后才知道我们应该实现哪些操作函数。

假设对 chrtest这个设备有如下两个要求：

1、能够对 chrtest 进行打开和关闭操作

设备打开和关闭是最基本的要求，几乎所有的设备都得提供打开和关闭的功能。因此我们需要实现 file_operations 中的 open 和 release 这两个函数。

2、对 chrtest 进行读写操作

假设 chrtest 这个设备控制着一段缓冲区(内存)，应用程序需要通过 read 和 write 这两个函数对 chrtest 的缓冲区进行读写操作。所以需要实现 file_operations 中的 read 和 write 这两个函数。需求很清晰了，修改示例代码 ，在其中加入 test_fops 这个结构体变量的初始化操作，完成以后的内容如下所示：

static int chrdevbase_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
   // printk("chrdevbase_open\r\n");
    return 0;
}

static int chrdevbase_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
   // printk("chrdevbase_release\r\n");
    return 0;   
}

static ssize_t chrdevbase_read(struct file *filp, __user char *buf, size_t count,
			loff_t *ppos)
{ 
    int ret  = 0;
    //printk("chrdevbase_read\r\n");
    memcpy(readbuf, kerneldata, sizeof(kerneldata));
    ret = copy_to_user(buf, readbuf, count);
    if(ret == 0) {

    } else {


    }


    return 0;  
}

static ssize_t chrdevbase_write(struct file *filp, const char __user *buf,
			 size_t count, loff_t *ppos)
{
    int ret = 0;
    //printk("chrdevbase_write\r\n");
    ret = copy_from_user(writebuf, buf, count);
    if(ret == 0) {
        printk("kernel recevdata:%s\r\n", writebuf);
    } else {
 
    }


    return 0; 
}

在示例代码 40.2.3.1 中我们一开始编写了四个函数： chrtest_open、 chrtest_read、 chrtest_write和 chrtest_release。这四个函数就是 chrtest 设备的 open、 read、 write 和 release 操作函数.初始化 test_fops 的 open、 read、 write 和 release 这四个成员变量。

/*
 * 字符设备 操作集合
 */
static struct file_operations chrdevbase_fops={
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = chrdevbase_open,
    .release = chrdevbase_release,
    .read = chrdevbase_read,
    .write = chrdevbase_write,
};

4 添加 LICENSE 和作者信息

最后我们需要在驱动中加入 LICENSE 信息和作者信息，其中 LICENSE 是必须添加的，否则的话编译的时候会报错，作者信息可以添加也可以不添加。 LICENSE 和作者信息的添加使用如下两个函数：

MODULE_LICENSE() //添加模块 LICENSE 信息
MODULE_AUTHOR() //添加模块作者信息
例如：
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zero");

将编译好的.ko文件放入4.1.15内

make
sudo cp chrdevbase.ko /home/zero/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/ -f

xshell终端下：

二、Linux 设备号

1设备号的组成

为了方便管理， Linux 中每个设备都有一个设备号，设备号由主设备号和次设备号两部分组成，主设备号表示某一个具体的驱动，次设备号表示使用这个驱动的各个设备。 Linux 提供了一个名为 dev_t 的数据类型表示设备号， dev_t 定义在文件 include/linux/types.h 里面，定义如下：

示例代码 40.3.1 设备号 dev_t
12 typedef __u32 __kernel_dev_t;
......
15 typedef __kernel_dev_t dev_t;

可以看出 dev_t 是__u32 类型的，而__u32 定义在文件 include/uapi/asm-generic/int-ll64.h 里面，定义如下：

示例代码 40.3.2 __u32 类型
26 typedef unsigned int __u32;

综上所述， dev_t 其实就是 unsigned int 类型，是一个 32 位的数据类型。这 32 位的数据构成了主设备号和次设备号两部分，其中高 12 位为主设备号， 低 20 位为次设备号。因此 Linux系统中主设备号范围为 0~4095，所以大家在选择主设备号的时候一定不要超过这个范围。
在文件 include/linux/kdev_t.h 中提供了几个关于设备号的操作函数(本质是宏)，如下所示：示例代码 40.3.3 设备号操作函数

 #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))

第 6 行，宏 MINORBITS 表示次设备号位数，一共是 20 位。
第 7 行，宏 MINORMASK 表示次设备号掩码。
第 9 行，宏 MAJOR 用于从 dev_t 中获取主设备号，将 dev_t 右移 20 位即可。
第 10 行，宏 MINOR 用于从 dev_t 中获取次设备号，取 dev_t 的低 20 位的值即可。
第 11 行，宏 MKDEV 用于将给定的主设备号和次设备号的值组合成 dev_t 类型的设备号。

2 设备号的分配

1、静态分配设备号
本小节讲的设备号分配主要是主设备号的分配。前面讲解字符设备驱动的时候说过了，注册字符设备的时候需要给设备指定一个设备号，这个设备号可以是驱动开发者静态的指定一个设备号，比如选择 200 这个主设备号。有一些常用的设备号已经被 Linux 内核开发者给分配掉
了，具体分配的内容可以查看文档 Documentation/devices.txt。并不是说内核开发者已经分配掉的主设备号我们就不能用了，具体能不能用还得看我们的硬件平台运行过程中有没有使用这个主设备号，使用“cat /proc/devices”命令即可查看当前系统中所有已经使用了的设备号。
2、动态分配设备号
静态分配设备号需要我们检查当前系统中所有被使用了的设备号，然后挑选一个没有使用的。而且静态分配设备号很容易带来冲突问题， Linux 社区推荐使用动态分配设备号，在注册字符设备之前先申请一个设备号，系统会自动给你一个没有被使用的设备号，这样就避免了冲突。卸载驱动的时候释放掉这个设备号即可，设备号的申请函数如下：

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

函数 alloc_chrdev_region 用于申请设备号，此函数有 4 个参数：

dev：保存申请到的设备号。
baseminor： 次设备号起始地址， alloc_chrdev_region 可以申请一段连续的多个设备号，这些设备号的主设备号一样，但是次设备号不同，次设备号以 baseminor 为起始地址地址开始递增。一般 baseminor 为 0，也就是说次设备号从 0 开始。
count： 要申请的设备号数量。
name：设备名字。

注销字符设备之后要释放掉设备号，设备号释放函数如下：

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
此函数有两个参数：
from：要释放的设备号。
count： 表示从 from 开始，要释放的设备号数量。

三 编译驱动程序和测试 APP

1、编译驱动程序

首先编译驱动程序，也就是 chrdevbase.c 这个文件，我们需要将其编译为.ko 模块，创建Makefile 文件，然后在其中输入如下内容：

编译成功以后就会生成一个叫做 chrdevbaes.ko 的文件，此文件就是 chrdevbase 设备的驱动模块。至此， chrdevbase 设备的驱动就编译成功。

2、编译测试 APP

测试 APP 比较简单，只有一个文件，因此就不需要编写 Makefile 了，直接输入命令编译。因为测试 APP 是要在 ARM 开发板上运行的，所以需要使用 arm-linux-gnueabihf-gcc 来编译，输入如下命令：

arm-linux-gnueabihf-gcc chrdevbaseApp.c -o chrdevbaseApp

编译完成以后会生成一个叫做 chrdevbaseApp 的可执行程序，输入如下命令查看chrdevbaseAPP 这个程序的文件信息：

file chrdevbaseApp

结果如图 40.4.3.2 所示：

从图 40.4.3.2 可以看出， chrdevbaseAPP 这个可执行文件是 32 位 LSB 格式， ARM 版本的，因此 chrdevbaseAPP 只能在 ARM 芯片下运行。
4 运行测试
1、加载驱动模块
驱动模块 chrdevbase.ko 和测试软件 chrdevbaseAPP 都已经准备好了，接下来就是运行测试。为了方便测试， Linux 系统选择通过 TFTP 从网络启动，并且使用 NFS 挂载网络根文件系统，确保 uboot 中 bootcmd 环境变量的值为：

tftp 80800000 zImage;tftp 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb;bootz 80800000 - 83000000

bootargs 环境变量的值为：

console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs rw nfsroot=192.168.1.250:/home/zuozhongkai/linux/nfs/rootfs ip=192.168.1.251:192.168.1.250:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off

设置好以后启动 Linux 系统，检查开发板根文件系统中有没有“/lib/modules/4.1.15”这个目录，如果没有的话自行创建。 注意，“/lib/modules/4.1.15”这个目录用来存放驱动模块，使用modprobe 命令加载驱动模块的时候，驱动模块要存放在此目录下。“/lib/modules”是通用的，不管你用的什么板子、什么内核，这部分是一样的。不一样的是后面的“4.1.15”，这里要根据你所使用的 Linux 内核版本来设置，比如 ALPHA 开发板现在用的是 4.1.15 版本的 Linux 内核，因此就是“/lib/modules/4.1.15”。如果你使用的其他版本内核，比如 5.14.31，那么就应该创建“/lib/modules/5.14.31”目录，否则 modprobe 命令无法加载驱动模块。因为是通过 NFS 将 Ubuntu 中的 rootfs(第三十八章制作好的根文件系统)目录挂载为根文件系统，所以可以很方便的将 chrdevbase.ko 和 chrdevbaseAPP 复制到 rootfs/lib/modules/4.1.15 目
录中，命令如下：

sudo cp chrdevbase.ko chrdevbaseApp /home/zuozhongkai/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/ -f

拷 贝 完 成 以 后 就 会 在 开 发 板 的 /lib/modules/4.1.15 目 录 下 存 在 chrdevbase.ko 和chrdevbaseAPP 这两个文件，如图 40.4.4.1 所示：

3、创建设备节点文件

驱动加载成功需要在/dev 目录下创建一个与之对应的设备节点文件，应用程序就是通过操作这个设备节点文件来完成对具体设备的操作。

输入如下命令创建/dev/chrdevbase 这个设备节点文件：

mknod /dev/chrdevbase c 200 0

其中“mknod”是创建节点命令，“/dev/chrdevbase”是要创建的节点文件，“c”表示这是个字符设备，“ 200”是设备的主设备号，“ 0”是设备的次设备号。创建完成以后就会存在/dev/chrdevbase 这个文件，可以使用“ls /dev/chrdevbase -l”命令查看，结果如图 40.4.4.7 所示：

4、 chrdevbase 设备操作测试

一切准备就绪，接下来就是“大考”的时刻了。使用 chrdevbaseApp 软件操作 chrdevbase 这个设备，看看读写是否正常，首先进行读操作，输入如下命令：

./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase