Linux字符驱动开发

字符设备驱动简介

字符设备是 Linux 驱动中最基本的一类设备驱动，字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的点灯、按键、IIC、SPI，LCD 等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。

在详细的学习字符设备驱动架构之前，我们先来简单的了解一下 Linux 下的应用程序是如何调用驱动程序的，具体流程如下图所示：

在 Linux 中一切皆为文件，驱动加载成功以后会在/dev目录下生成一个相应的文件，通过对文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。

举个栗子

给大家举个例子，比如说现在有个 led 灯的驱动文件。应用程序通过使用 open 函数来打开这个文件，使用完成以后通过使用 close 函数关闭这个文件。

open和 close 就是打开和关闭 led 驱动的函数，如果要点亮或关闭 led，那么就使用 write 函数来操作，也就是向此驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是要打开 led的控制参数。如果要获取led 灯的状态，就用 read 函数从驱动中读取相应的状态。

应用程序运行在用户空间，而 Linux 驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。

当我们想要“系统调用”的方式对内核空间进行操作，将程序从用户空间陷入到内核空间中，只有通过这种方式才能完成用户空间对内核空间的操作。

而open、close、write 和 read 等这些函数是有 C 库提供的，在 Linux 系统中，系统调用作为 C 库的一部分，具体调用流程如下：

file_operations 结构体

我们不用知道如何通过系统调用陷入到内核空间的，我们重点关注的是应用程序和具体的驱动，应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数，比如应用程序中调用了 open 这个函数，那么在驱动程序中也得有一个名为 open 的函数。

每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数，在 Linux 内核文件 include/linux/fs.h 中有个叫做 file_operations 的结构体，此结构体就是 Linux 内核驱动操作函数集合。

file_operations 结构体就是设备的具体操作函数,我们在声明完结构体后需要对其进行初始化，即初始化其中的open、release、read 和 write 等具体的设备操作函数，具体代码如下：

static struct file_operations test_fops = {
	.owner = THIS_MODULE, 
	.open = chrtest_open,
	.read = chrtest_read,
	.write = chrtest_write,
	.release = chrtest_release,
};

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。

字符设备驱动开发步骤

首先大家要明白我们在Linux驱动开发中我们需要按照其规定的框架进行驱动的编写，所以这个框架很重要。

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。

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

module_init 函数用来向 Linux 内核注册一个模块加载函数，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。module_exit()函数用来向 Linux 内核注册一个模块卸载函数，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。字符设备驱动模块加载和卸载模板如下所示：

1 /* 驱动入口函数 */
2 static int __init xxx_init(void)
3 {
4 /* 入口函数具体内容 */
5 return 0;
6 }
7 
8 /* 驱动出口函数 */
9 static void __exit xxx_exit(void)
10 {
11 /* 出口函数具体内容 */
12 }
13
14 /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
15 module_init(xxx_init);
16 module_exit(xxx_exit);

• 第 2 行，定义了个名为 xxx_init 的驱动入口函数，并且使用了__init来修饰。
• 第 9 行，定义了个名为 xxx_exit 的驱动出口函数，并且使用了__exit来修饰。
• 第 15 行，调用函数 module_init 来声明 xxx_init 为驱动入口函数，当加载驱动的时候 xxx_init函数就会被调用。
• 第16行，调用函数module_exit来声明xxx_exit为驱动出口函数，当卸载驱动的时候xxx_exit函数就会被调用。

加载 drv.ko 这个驱动模块，命令如下：

insmod drv.ko 

但是insmod 命令不能解决模块的依赖关系，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。

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。

字符设备的注册和注销

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。

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("GPL"); //添加模块 LICENSE 信息
MODULE_AUTHOR("jamesbin");//添加模块作者信息

Linux设备号

Linux为了方便对设备进行管理，给每个设备都分配了一个设备号，设备号由主设备号和副设备号组成，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：

typedef __u32 __kernel_dev_t;
......
typedef __kernel_dev_t dev_t;

静态分配设备号

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。

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。

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。

设备号的申请函数如下：

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

dev：保存申请到的设备号。
baseminor：次设备号起始地址，一般 baseminor 为 0。
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)

from：要释放的设备号。
count：表示从 from 开始，要释放的设备号数量

结语

本章我们详细的讲解了字符设备驱动的开发步骤，带领大家完成了第一个字符设备驱动的开发，掌握了字符设备驱动的开发框架以及测试方法，以后的字符设备驱动实验基本都以此为蓝本。