Linux驱动实践：一步一步编写字符设备驱动程序-662P.COM

字符设备的驱动程序，有两套不同的API函数，并且在文中详细演示了利用旧的API函数来编写驱动程序。这篇文章，我们继续这个话题，实际演示一下：字符设备驱动程序的另一套API函数的使用方法。

这篇文章，我们继续这个话题，实际演示一下：字符设备驱动程序的另一套API函数的使用方法。

API 函数

这里主要关注下面这 3 个函数：

// 静态注册设备 
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name); 

// 动态注册设备 
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name); 

// 卸载设备 
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);

关于静态和动态注册，主要的区别就在于：主设备号由谁来主导分配!

静态注册：由我们的驱动程序来指定主设备号，即参数1：from;

动态注册：由操作系统来分配，驱动程序提供一个变量来接收该设备号，即参数1: dev 指针;

另外，在Linux 2.6后期的内核版本中，引入了 cdev 结构来描述一个字符设备，它的结构体成员是：

struct cdev { 
    struct kobject kobj;    // 内嵌的kobject对象 
    struct module *owner;   // 所属模块 
    const struct file_operations *ops;//文件操作结构体 
    struct list_head list;  // 链表句柄 
    dev_t dev;              // 设备号 
    unsigned int count; 
};

与这个结构体相关的处理函数有：

void cdev_init(struct cdev *,struct file_operations *);
初始化 cdev 的成员，主要是设置 file_operations。
strcut cdev *cdev_alloc(void);
动态申请 cdev 内存。
void cdev_put(strcut cdev *p);
与 count 计数相关的操作。
int cdev_add(struct cdev *,dev_t ,unsigned );
向系统中添加一个 cdev，注册字符设备，需要在驱动被加载的时候调用。
void cdev_del(struct cdev *);
从系统中删除一个 cdev，注销字符设备，需要在驱动被卸载的时候调用。
后面在代码演示的时候，可以看到cdev结构是如何被使用的。

编写驱动

按照惯例，我们仍然按照步骤，来讨论如何利用上述的APIs，来手写一个字符设备的驱动程序。

以下所有操作的工作目录，都是与上一篇文章相同的，即：~/tmp/linux-4.15/drivers/。

创建驱动目录和驱动程序

$ cd linux-4.15/drivers/ 
$ mkdir my_driver2 
$ cd my_driver2 
$ touch driver2.c

driver2.c 文件的内容如下(不需要手敲，文末有代码下载链接)：

#include <linux/module.h> 
#include <linux/kernel.h> 
#include <linux/ctype.h> 
#include <linux/device.h> 
#include <linux/cdev.h> 

static struct cdev my_cdev; 
static dev_t dev_no; 

int driver2_open(struct inode *inode, struct file *file) 
{ 
    printk("driver2_open is called. \n"); 
    return 0; 
} 

ssize_t driver2_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos) 
{ 
    printk("driver2_read is called. \n"); 
    return 0; 
} 

ssize_t driver2_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos) 
{ 
    printk("driver2_write is called. \n"); 
    return 0; 
} 
  
static const struct file_operations driver2_ops={ 
    .owner = THIS_MODULE, 
    .open  = driver2_open, 
    .read  = driver2_read, 
    .write = driver2_write, 
}; 
  
static int __init driver2_init(void) 
{ 
    printk("driver2_init is called. \n"); 

    // 初始化cdev结构 
    cdev_init(&my_cdev, &driver2_ops); 

    // 注册字符设备 
    alloc_chrdev_region(&dev_no, 0, 2, "driver2"); 
    cdev_add(&my_cdev, dev_no, 2); 

    return 0; 
} 
  
static void __exit driver2_exit(void) 
{ 
    printk("driver2_exit is called. \n"); 

    // 注销设备 
    cdev_del(&my_cdev);  

    // 注销设备号 
    unregister_chrdev_region(dev_no, 2); 
} 
  
MODULE_LICENSE("GPL"); 
module_init(driver2_init); 
module_exit(driver2_exit);

这里看一下加载驱动模块时调用的 driver2_init( ) 函数，其中的 cdev_init 用来把cdev结构体与 file_operations 发生关联。

在调用 alloc_chrdev_region( ) 时，操作系统分配了主设备号，并且保存在 dev_no 变量中，然后 cdev_add() 再把设备号与cdev结构体进行关联。

创建 Makefile 文件

$ touch Makefile

内容如下：

ifneq ($(KERNELRELEASE),) 
    obj-m := driver2.o 
else 
    KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build 
    PWD := $(shell pwd) 
default: 
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules 
clean: 
    $(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean 
endif

编译驱动模块

$ make

得到驱动程序： driver2.ko 。

加载驱动模块

在加载驱动模块之前，先来检查一下系统中，几个与驱动设备相关的地方。

先看一下 /dev 目录下，目前还没有我们的设备节点( /dev/driver2 )。

$ ll /dev/driver2 
ls: cannot access '/dev/driver2': No such file or directory

再来查看一下 /proc/devices 目录下，也没有 driver2 设备的设备号。

$ cat /proc/devices

/proc/devices 文件: 列出字符和块设备的主设备号，以及分配到这些设备号的设备名称。

为了方便查看打印信息，把dmesg输出信息清理一下：

$ sudo dmesg -c

执行如下指令，加载驱动模块:

$ sudo insmod driver2.ko

当驱动程序被加载的时候，通过 module_init( ) 注册的函数 driver2_init() 将会被执行，那么其中的打印信息就会输出。

还是通过 dmesg 指令来查看驱动模块的打印信息：

$ dmesg

此时，驱动模块已经被加载了!

来查看一下 /proc/devices 目录下显示的设备号：

$ cat /proc/devices

设备已经注册了，主设备号是: 244 。

但是，此时在/dev目录下，还没有我们需要的设备节点。

在上一篇文章中介绍过，还可以利用 Linux 用户态的 udev 服务来自动创建设备节点。

现在，我们手动创建设备节点：

$ sudo mknod -m 660 /dev/driver2 c 244 0

主设备号 244 是从 /proc/devices 查到的。

检查一下是否创建成功：

$ ll /dev/driver2

现在，设备的驱动程序已经加载了，设备节点也被创建好了，应用程序就可以来操作(读、写)这个设备了。

应用程序

应用程序仍然放在 ~/tmp/App/ 目录下。

$ mkdir ~/tmp/App/app_driver2 
$ cd ~/tmp/App/app_driver2 
$ touch app_driver2.c

文件内容如下：

#include <stdio.h> 
#include <unistd.h> 
#include <fcntl.h> 


int main(void) 
{ 
    int ret; 
    int read_data[4] = { 0 }; 
    int write_data[4] = {1, 2, 3, 4}; 
    int fd = open("/dev/driver2", O_RDWR); 
    if (-1 != fd) 
    { 
        ret = read(fd, read_data, 4); 
        printf("read ret = %d \n", ret); 

        ret = write(fd, write_data, 4); 
        printf("write ret = %d \n", ret); 
    } 
    else 
    { 
        printf("open /dev/driver2 failed! \n"); 
    } 

    return 0; 
}

接下来就是编译和测试了：

$ gcc app_driver2.c -o app_driver2 
$  
$ sudo ./app_driver2  
[sudo] password for xxx: <输入用户密码> 
read ret = 0  
write ret = 0

从返回值来看，成功打开了设备，并且调用读函数、写函数都成功了!

继续用dmesg命令查看一下：

卸载驱动模块

卸载指令：

$ sudo rmmod driver2

此时，/proc/devices 下主设备号 244 的 driver2 已经不存在了。

再来看一下 dmesg的打印信息：

可以看到：驱动程序中的 driver2_exit( ) 被调用执行了!

小结

以上就是利用“新的” API 函数，来编写字符设备的驱动程序。

代码结构还是非常清晰的，这得益于Linux良好的驱动程序架构设计!这也是每一名架构师需要学习、努力模仿的地方。

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