Linux内核字符设备驱动开发教程：从cdev结构体到虚拟设备实现

一、

在linux内核中，字符设备是由cdev结构体来描述的，它坐落/include/linux/cdev.h中

/* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */
#ifndef _LINUX_CDEV_H
#define _LINUX_CDEV_H
 
#include 
#include 
#include 
#include 
 
struct file_operations;
struct inode;
struct module;
 
struct cdev {
	struct kobject kobj;
	struct module *owner;
	const struct file_operations *ops;
	struct list_head list;   //list字段来将所有的字符设备组织成一个链表。每个设备由主设备号与次设备号确定，
	dev_t dev;      //dev就是字符设备的设备号，包括主设备号和次设备号
	unsigned int count;   //count字段是同一个主设备号中次设备号的个数
} __randomize_layout;
 
void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);
 
struct cdev *cdev_alloc(void);
 
void cdev_put(struct cdev *p);
 
int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
 
void cdev_set_parent(struct cdev *p, struct kobject *kobj);
int cdev_device_add(struct cdev *cdev, struct device *dev);
void cdev_device_del(struct cdev *cdev, struct device *dev);
 
void cdev_del(struct cdev *);
 
void cd_forget(struct inode *);
 
#endif

linux的设备驱动程序可以由两种方式来定义，一种是全局静态变量，另一种是使用内核提供的API，这儿采用第二种方式来实现一个简单的虚拟设备的驱动，但是实现它的读写功能。

首先看内核态代码

device_drive.c

# include 
# include 
# include 
# include 
# include 
 
# define DEMO_NAME "my_demo_dev"
 
static dev_t dev;   //设备号
static struct cdev *demo_cdev;
static signed count = 1;
 
 
static int demodrv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{   
    //Linux内核提供的读取主设备号和次设备号的方法
	int major = MAJOR(inode->i_rdev);   
	int minor = MINOR(inode->i_rdev);
 
	printk("%s: major=%d, minor=%dn",__func__,major,minor);  //__func__宏获取当前的函数名
 
	return 0;
}
 
 
static ssize_t demodrv_read(struct file *file, char __user *buf,size_t lbuf,loff_t *ppos)
{
	printk("%s entern",__func__);   //打印函数名
	
	return 0;
}
 
 

static ssize_t demodrv_write(struct file *file, const char __user *buf,size_t count,loff_t *f_pos)
{
	printk("%s entern",__func__);
	
	return 0;
}
 
 //给设备的操作，和在文件系统中使用的是相同的结构体
static const struct file_operations demodrv_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = demodrv_open,
	.read = demodrv_read,
	.write = demodrv_write
};
 
 
static int __init simple_char_init(void)
{
	int ret;
 
	ret = alloc_chrdev_region(&dev,0,count,DEMO_NAME);
	if(ret)
	{
		printk("failed to allocate char device regionn");
		return ret;
	}
	demo_cdev = cdev_alloc();   //分配空间
	if(!demo_cdev) 
	{
		printk("cdev_alloc failedn");
		goto unregister_chrdev;
	}
 
	cdev_init(demo_cdev,&demodrv_fops);
 
	ret = cdev_add(demo_cdev,dev,count);
	if(ret)
	{
		printk("cdev_add failedn");
		goto cdev_fail;
	}
 
	printk("successed register char device: %sn",DEMO_NAME);
	printk("Major number = %d,minor number = %dn",MAJOR(dev),MINOR(dev));
 
	return 0;
 
cdev_fail:
	cdev_del(demo_cdev);
 
unregister_chrdev:
	unregister_chrdev_region(dev,count);
 
	return ret;
} 
 
 
static void __exit simple_char_exit(void)
{
	printk("removing devicen");
 
	if(demo_cdev)
		cdev_del(demo_cdev);
 
	unregister_chrdev_region(dev,count);
}
 
module_init(simple_char_init);
module_exit(simple_char_exit);
 
MODULE_LICENSE("GPL");

内核模块初始化函数执行alloc_chrdev_region函数，步入源代码，坐落fs/char_dev.c.

/**
 * alloc_chrdev_region() - register a range of char device numbers
 * @dev: output parameter for first assigned number
 * @baseminor: first of the requested range of minor numbers
 * @count: the number of minor numbers required
 * @name: the name of the associated device or driver
 *
 * Allocates a range of char device numbers.  The major number will be
 * chosen dynamically, and returned (along with the first minor number)
 * in @dev.  Returns zero or a negative error code.
 */
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,
			const char *name)
{
	struct char_device_struct *cd;
	cd = __register_chrdev_region(0, baseminor, count, name);
	if (IS_ERR(cd))
		return PTR_ERR(cd);
	*dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor);
	return 0;
}

以后会执行__register_chrdev_region函数。第一个参数为0，手动分配主设备号。

以后使用cdev_alloc函数来分配空间，这儿定义的是structcdev*类型

接出来会执行cdev_init,并执行fops的形参操作

步入源代码来看一下：cedv_alloc会分配空间linux设备驱动程序视频linuxtar，并返回一个cdev结构体的表针。cdev_init初始化cdev，多了一步形参fops

假如定义的是structcdev结构体而不是表针类型，只须要执行cdev_init()就可以了

/**
 * cdev_alloc() - allocate a cdev structure
 *
 * Allocates and returns a cdev structure, or NULL on failure.
 */
struct cdev *cdev_alloc(void)
{
	struct cdev *p = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);
	if (p) {
		INIT_LIST_HEAD(&p->list);
		kobject_init(&p->kobj, &ktype_cdev_dynamic);
	}
	return p;
}
 
/**
 * cdev_init() - initialize a cdev structure
 * @cdev: the structure to initialize
 * @fops: the file_operations for this device
 *
 * Initializes @cdev, remembering @fops, making it ready to add to the
 * system with cdev_add().
 */
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
{
	memset(cdev, 0, sizeof *cdev);
	INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);
	kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);
	cdev->ops = fops;
}

接出来执行cdev_add，把这个设备添加到系统中。

在实现的方式中，我们在demodrv_open操作中复印主次设备号

在demodrv_read和demodrv_write中仅复印函数名

Makefile

#Makefile文件注意：假如前面的.c文件起名为first.c，那么这里的Makefile文件中的.o文
#件就要起名为first.o    只有root用户才能加载和卸载模块
obj-m:=device_drive.o                          #产生device_drive模块的目标文件
#目标文件  文件  要与模块名字相同
CURRENT_PATH:=$( pwd)             #模块所在的当前路径
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)        #linux内核代码的当前版本
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)
 
all:
	make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules    #编译模块
#[Tab]              内核的路径       当前目录编译完放哪  表明编译的是内核模块
 
clean:
	make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean      #清理模块

编译并插入内核模块

在这里插入图片描述

视频驱动开发_视频驱动安装_linux设备驱动程序视频

使用dmesg查看内核消息

在这儿可以看见早已成功注册了字符设备，my_demo_dev是设备名redhat linux下载，主设备号是243，次设备号是0

另外，生成的设备须要在/dev目录下生成对应的节点，这儿须要自动生成

使用mknod

mknod /dev/demo_drv c 243 0

c代表字符设备，主设备号243，次设备号为0

然后查看/dev目录的情况

在这儿

在这里插入图片描述

接出来使用用户空间的测试程序来测试这个字符设备驱动

用户空间种测试字符设备的程序test.c

# include 
# include 
# include 
 
# define DEMO_DEV_NAME "/dev/demo_drv"
 
int main() 
{
	char buffer[64];
	int fd;
 
	fd = open(DEMO_DEV_NAME,O_RDONLY);
	if(fd<0) 
	{
		printf("open device %s failedn",DEMO_DEV_NAME);
		return -1;
	}
 
	read(fd,buffer,64);
	close(fd);
 
	return 0;
}

在这个测试文件中定义设备的路径

进行一个open操作,read操作只复印函数名

编译用户测试程序并执行

使用dmesg复印内核消息

在这里插入图片描述

复印出了open和read的方式

二、

字符设备驱动也可以采用misc机制来进行注册，也就是Linux将一些不符合预先确定的字符设备界定为杂项设备，这类设备的主设备号是10，内核中使用miscdevice结构体来描述

假如使用misc机制来创建设备，就须要定义miscdevice结构体，来看一下第二个实验

内核模块

drive2.c

# include 
# include 
# include 
# include 
# include 
//加入misc机制
# include 
# include 
 
DEFINE_KFIFO(mydemo_fifo,char,64);
 
//设备名
# define DEMO_NAME "my_demo_dev"
 
static struct device *mydemodrv_device;
 
static int demodrv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
	int major = MAJOR(inode->i_rdev);
	int minor = MINOR(inode->i_rdev);
 
	printk("%s: major=%d, minor=%dn",__func__,major,minor);
 
	return 0;
}
 
 

static ssize_t demodrv_read(struct file *file, char __user *buf,size_t count,loff_t *ppos)
{
	int actual_readed;
	int ret;
 
	ret = kfifo_to_user(&mydemo_fifo,buf, count, &actual_readed);
	if(ret)
		return -EIO;
 
	printk("%s,actual_readed=%d,pos=%lldn",__func__,actual_readed,*ppos);
 
	return actual_readed;
}
 
 
static ssize_t demodrv_write(struct file *file, const char __user *buf,size_t count,loff_t *ppos)
{
	unsigned int actual_write;
	int ret;
 
	ret = kfifo_from_user(&mydemo_fifo,buf, count, &actual_write);
	if(ret)
		return -EIO;
 
	printk("%s: actual_write=%d,ppos=%lldn",__func__,actual_write,*ppos);
 
	return actual_write;
}
 
 
static const struct file_operations demodrv_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = demodrv_open,
	.read = demodrv_read,
	.write = demodrv_write,
};
 
static struct miscdevice mydemodrv_misc_device = {
	.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
	.name = DEMO_NAME,
	.fops = &demodrv_fops,  //设备相应的操作
};
 
static int __init simple_char_init(void)
{
	int ret;
 
	ret = misc_register(&mydemodrv_misc_device);
	if(ret)
	{
		printk("failed register misc devicen");
		return ret;
	}
 
	mydemodrv_device = mydemodrv_misc_device.this_device;
 
	printk("successed register char device: %sn",DEMO_NAME);
 
	return 0;
} 
 
 
static void __exit simple_char_exit(void)
{
	printk("removing devicen");
 
	misc_deregister(&mydemodrv_misc_device);
}
 
module_init(simple_char_init);
module_exit(simple_char_exit);
 
MODULE_LICENSE("GPL");

来看内核模块初始化函数，首先使用内核API：misc_register()函数来注册，可以手动创建设备结点，不须要mknod来自动创建设备节点，传入的参数是定义的miscdevice结构体的地址

Makefile

linux设备驱动程序视频_视频驱动安装_视频驱动开发

#Makefile文件注意：假如前面的.c文件起名为first.c，那么这里的Makefile文件中的.o文
#件就要起名为first.o    只有root用户才能加载和卸载模块
obj-m:=drive2.o                          #产生drive2模块的目标文件
#目标文件  文件  要与模块名字相同
CURRENT_PATH:=$(shell pwd)             #模块所在的当前路径
LINUX_KERNEL:=$(shell uname -r)        #linux内核代码的当前版本
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)
 
all:
	make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules    #编译模块
#[Tab]              内核的路径       当前目录编译完放哪  表明编译的是内核模块
 
clean:
	make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean      #清理模块

编译并插入内核模块

在这里插入图片描述

查看/dev下的内容ll/dev

可以看见生成的设备文件主设备号为10misc，次设备号为53

用户态测试程序test.c

# include 
# include 
# include 
# include 
# include 
 
# define DEMO_DEV_NAME "/dev/my_demo_dev"
 
int main() 
{
	char buffer[64];
	int fd;
	int ret;
	size_t len;
 
	char message[] = "hello";
	char *read_buffer;
 
	len = sizeof(message);
 
	fd = open(DEMO_DEV_NAME,O_RDWR);
	if(fd<0) 
	{
		printf("open device %s failedn",DEMO_DEV_NAME);
		return -1;
	}
 
	//向设备写数据
	ret = write(fd,message,len);
	if(ret != len)
	{
		printf("cannot write on device %d,ret=%dn",fd,ret);
		return -1;
	}
 
	read_buffer = malloc(2*len);
	memset(read_buffer,0,2*len);
	//关闭设备
 
	ret = read(fd,read_buffer,2*len);
	printf("read %d bytesn",ret);
	printf("read buffer=%sn",read_buffer);
 
	close(fd);
 
	return 0;
}

执行一次open、write和read操作

使用gcc来编译执行

在这里插入图片描述

可以看见读取了hello，是6个字节

使用dmesg查看内核消息linux设备驱动程序视频，也复印了相应的信息

在这里插入图片描述

这就是给你们分享的简单的字符设备驱动程序。

本文原创地址：//lrxjmw.cn/lnhzfsbqdkfj.html编辑：刘遄，审核员：暂无

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