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从Linux内核LED驱动来理解字符设备驱动开发流程

从Linux内核LED驱动来理解字符设备驱动开发流程

发布时间:2023-06-07

开发环境

环境说明	详细信息	备注信息
操作系统	Ubunut 18.04.3 LTS
开发板	S3C2440(JZ2440-V3)
kernel版本	linux-3.4.2	官网地址
busybox版本	busybox-1.22.1	官网地址
编译器	arm-linux-gcc-4.4.3	下载地址
编译器路径	/opt/FriendlyARM/toolschain/4.4.3/bin	绝对路径

1. Linux字符设备驱动的组成

引自宋宝华《Linux设备驱动开发详解--基于最新的Linux 4.0内核》P138内容：

在Linux中，字符设备驱动由如下几个部分组成。
1. 字符设备驱动模块加载与卸载函数
2. 字符设备驱动的file_operations 结构体中的成员函数

这里先介绍一下字符设备的开发流程：字符设备驱动是通过设备号与上位机程序连接。而上位机程序对驱动的控制则是通过文件操作，即read、write、ioctl等完成。

ps.（对于Linux系统而言，一切皆文件，驱动加载成功后，会在/proc/devices里面添加驱动节点号信息）

因此一个字符设备驱动应包含1. 设备号的注册、卸载和2. 文件操作两个功能，注册的设备号用于提供接口，而文件操作用于对驱动的操作。

字符设备驱动的结构如下图所示：
在这里插入图片描述
对于cdev_init函数中，建立file_operations之间的连接的疑问，看一下cdev_init的实现

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;

}

可以看出，最后的一个语句cdev->ops = fops;完成了在cdev中的file_operations的绑定

下面从程序语言角度感性的认识一下设备号的注册、卸载函数原型，和文件操作函数原型。

1.1 字符设备驱动模块加载与卸载函数

//加载函数

static int __init xxx_init(void)

{

... ...

}

//卸载函数

static int __exit xxx_exit(void)

{

... ...

}

1.2 字符设备驱动的file_operations 结构体中的成员函数

static const struct file_operations xxx_fileops = {

.owner = THIS_MODULE,

.write = xxx_write,

.read = xxx_read,

.open = xxx_open,

.unlocked_ioctl = xxx_ioctl,

... ...

};

static int xxx_open( struct inode *inodes, struct file *filp )

{

... ...

}

static long xxx_ioctl( struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg )

{

... ...

}

static ssize_t xxx_write( struct file *filp, const char __user *buffer, size_t size, loff_t *f_pos )

{

... ...

}

static ssize_t xxx_read( struct file *filp, const char __user *buffer, size_t size, loff_t *f_pos )

{

... ...

}

2. 字符设备驱动——设备号注册卸载

以我写的字符设备驱动源代码为例，路径为linux-3.4.2driverschars3c2440_leds.c，文章后附有完整的代码

设备号的注册由static int __init s3c2440_leds_init(void)完成

设备号的卸载由static int __init s3c2440_leds_exit(void)完成

首先分析设备号的注册，然后分析卸载

2.1 设备号注册

设备号分为主设备号和次设备号，若源代码中定义了主设备号(次设备号一般为0)，那么可以直接完成设备号的注册，其流程为

在这里插入图片描述
注册成功后，可通过cat /proc/devices命令查看设备号

2.2 设备号注销

相比设备号的注册，注销流程就十分简单：
在这里插入图片描述

3. 字符设备驱动——文件操作

上位机程序首先要调用open函数打开此驱动，具体方法就是，打开该设备号对应的文件，一般而言，该设备号文件在/dev/文件夹下，驱动在内核中注册成功后会在/proc/devices中包含设备号信息，但/dev/文件夹内并没有创建该设备号对应的文件，因此需要手动创建该设备号文件，命令为：

mknod /dev/leds c 230 0

表示在/dev文件夹下创建名为leds的字符设备文件，其主设备号为230，次设备号为0。

字符设备文件名可以另取，但设备号一定要对应/proc/devices里面的设备号。

在这里插入图片描述

然后通过fd = open("/dev/leds",0);完成设备驱动的打开

当上位机程序通过调用open函数打开(链接上)相应的驱动程序后，open函数会返回一个文件描述符暂且记为fd，然后对该驱动的read、write、ioctl等操作都可以通过使用fd完成。简单的字符设备驱动程序大多采用ioctl函数控制驱动程序，而这个ioctl函数本身也不难，其实现为：

static long s3c2440_leds_ioctl( struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg )

函数中

第一个参数：表示要操作的文件描述符

第二个参数：表示传递的命令字

第三个参数：表示传递的变量字

第二个参数和第三个参数的含义没有硬性规定，传递的参数符合对应的关键字限定类型即可

下面的给出示例参考

static long s3c2440_leds_ioctl( struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg )

{

printk(DRV_NAME "tRecv cmd: %un", cmd);

printk(DRV_NAME "tRecv arg: %lun", arg);

//IO operations function.

if(arg > 4) {

return -EINVAL;

}

switch (cmd) {

case IOCTL_LED_ON: //#define IOCTL_LED_ON 1

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF(arg+3), 0);//Set pin

printk("Open LED %lu ",arg);

return 0;

case IOCTL_LED_OFF: //#define IOCTL_LED_OFF 0

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF(arg+3), 1);

printk("Close LED %lu ",arg);

return 0;

default:

return -EINVAL;

}

参考资料

1. 宋宝华《Linux设备驱动开发详解–基于最新的Linux 4.0内核》第6章字符设备驱动

2. Jonathan Corbet《linux设备驱动程序第三版》 P50-P51

示例代码

* Driver for S3C2440 base board.

* This program is free software; you can redistribute it and/or modify

* it under the terms of the GNU General Public License as published by

* the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or

* (at your option) any later version.

* This program is distributed in the hope that it will be useful,

* but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of

* MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the

* GNU General Public License for more details.

* You should have received a copy of the GNU General Public License

* along with this program; if not, write to the Free Software

* Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA 02111-1307 USA

* MULTIBEANS, NPU Youyi West Ave, Beilin District, Xi'an, China.

#include /* Every Linux kernel module must include this head */

#include /* printk() */

#include /* struct fops */

#include /* error codes */

#include /* cdev_alloc() */

#include /* request_mem_region() */

#include

#define DRV_NAME "s3c2440_leds"

#define DRV_AUTHOR "Alan Tian "

#define DRV_DESC "S3C2440 LED Pin Driver"

#define S3C2440_LED_SIZE 0x1000

#define S3C2440_LED_MAJOR 230

#define S3C2440_LED_MINOR 0

static int major = S3C2440_LED_MAJOR;

static int minor = S3C2440_LED_MINOR;

/* 应用程序执行ioctl(fd, cmd, arg)时的第2个参数 */

#define IOCTL_LED_ON 0

#define IOCTL_LED_OFF 1

static int s3c2440_leds_open( struct inode *inodes, struct file *filp );

static long s3c2440_leds_ioctl( struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg );

static ssize_t s3c2440_leds_write( struct file *filp, const char __user *buffer,

size_t size, loff_t *f_pos );

static ssize_t s3c2440_leds_read( struct file *filp, const char __user *buffer,

size_t size, loff_t *f_pos );

struct s3c2440_leds_dev_t

{

struct cdev cdev;

unsigned char mem[S3C2440_LED_SIZE];

} *s3c2440_leds_dev;

//Step 2: Add file operations

static const struct file_operations s3c2440_leds_fileops = {

.owner = THIS_MODULE,

.write = s3c2440_leds_write,

.read = s3c2440_leds_read,

.open = s3c2440_leds_open,

.unlocked_ioctl = s3c2440_leds_ioctl,

};

static int s3c2440_leds_open( struct inode *inodes, struct file *filp )

{

//int ret;

filp->private_data = s3c2440_leds_dev;

printk(DRV_NAME"tS3C2440 open function...n");

return 0;

}

static long s3c2440_leds_ioctl( struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg )

{

printk(DRV_NAME "tRecv cmd: %un", cmd);

printk(DRV_NAME "tRecv arg: %lun", arg);

//IO operations function.

if(arg > 4) {

return -EINVAL;

}

switch (cmd) {

case IOCTL_LED_ON:

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF(arg+3), 0);//Set pin

printk("Open LED %lu ",arg);

return 0;

case IOCTL_LED_OFF:

s3c2410_gpio_setpin(S3C2410_GPF(arg+3), 1);

printk("Close LED %lu ",arg);

return 0;

default:

return -EINVAL;

}

static ssize_t s3c2440_leds_write( struct file *filp, const char __user *buffer,

size_t size, loff_t *f_pos )

{

unsigned long p = *f_pos;

unsigned int count = size;

int ret = 0;

struct s3c2440_leds_dev_t *dev = filp->private_data;

if(p >= S3C2440_LED_SIZE)

return 0;

if(count > S3C2440_LED_SIZE - p)

count = S3C2440_LED_SIZE - p;

memset(dev->mem, 0, S3C2440_LED_SIZE);

if(copy_from_user(dev->mem + p, buffer, count)) {

ret = -EFAULT;

} else {

*f_pos += count;

ret = count;

printk(KERN_INFO "writter %u bytes(s) from %lun", count, p);

}

return ret;

}

static ssize_t s3c2440_leds_read( struct file *filp, const char __user *buffer,

size_t size, loff_t *f_pos )

{

unsigned long p = *f_pos;

文章来源于:电子工程世界原文链接

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