编写最简单的字符设备驱动

编写最简单的字符设备驱动

  • 1 编写驱动代码
  • 2 编写makefile
  • 3 编译和加载驱动
  • 4 编写应用程序测试驱动

参考文章：
linux驱动开发第1讲：带你编写一个最简单的字符设备驱动

linux驱动开发第2讲：应用层的write如何调用到驱动中的write

1 编写驱动代码

驱动代码chardev.c如下：

#include <linux/module.h>
#include <linux/moduleparam.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/slab.h>#define BUFFER_MAX    (10)
#define OK            (0)
#define ERROR         (-1)struct cdev *gDev;
struct file_operations *gFile;
dev_t  devNum;
unsigned int subDevNum = 1;
int reg_major  =  232;    
int reg_minor =   0;
char *buffer;
int flag = 0;
int hello_open(struct inode *p, struct file *f)
{printk(KERN_EMERG"hello_open\r\n");return 0;
}ssize_t hello_write(struct file *f, const char __user *u, size_t s, loff_t *l)
{printk(KERN_EMERG"hello_write\r\n");return 0;
}
ssize_t hello_read(struct file *f, char __user *u, size_t s, loff_t *l)
{printk(KERN_EMERG"hello_read\r\n");      return 0;
}
int hello_init(void)
{devNum = MKDEV(reg_major, reg_minor);   /* 获取设备号 */if(OK == register_chrdev_region(devNum, subDevNum, "helloworld")){printk(KERN_EMERG"register_chrdev_region ok \n"); }else {printk(KERN_EMERG"register_chrdev_region error n");return ERROR;}printk(KERN_EMERG" hello driver init \n");gDev = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);gFile = kzalloc(sizeof(struct file_operations), GFP_KERNEL);gFile->open = hello_open;gFile->read = hello_read;gFile->write = hello_write;gFile->owner = THIS_MODULE;cdev_init(gDev, gFile);cdev_add(gDev, devNum, 3);return 0;
}void __exit hello_exit(void)
{cdev_del(gDev);unregister_chrdev_region(devNum, subDevNum);return;
}
module_init(hello_init);    /* 驱动入口 */
module_exit(hello_exit);    /* 驱动出口 */
MODULE_LICENSE("GPL");

hello_init是驱动的入口点，它通过moduel_init注册到系统中，在驱动被装载时调用，module_init()注册的函数原型必须是：

int my_init(void);

所以hello_init的返回值是int类型，没有参数。

hello_exit是驱动的出口函数，有module_exit()注册到系统中，在驱动被卸载时调用，module_exit()注册的函数原型必须是：

void my_exit(void);

所以hello_exit()没有返回，也没有参数。

内核提供打印函数printk()，和C库提供的printf()函数功能几乎相同。

printk(日志级别 "消息文本")；

日志级别有8 ，定义在linyx/kernel中如图：
在这里插入图片描述

2 编写makefile

Makefile内容

obj-m := chardev.oKERNELDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/buildall default:modules
install:modules_installmodules modules_install help clean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(shell pwd) $@
  • obj-m := chardev.o：obj-m列出要构建的模块，对于每一个<filename>.o，进行系统构建时会查找<filename>.c 。obj-m用于构建模块，把模块放在内核源码树外维护，obj-y用于构建内核对象，把模块加入到内核源码树中。
  • KERNELDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build：KERNELDIR 是欲构建的内核源码位置。如果已经从源代码构建了内核，则应该把这个变量设置为内核构建源代码目录的绝对路径。-C 要求make在读取makefile或执行其他任何操作之前先更改到指定的目录。
  • M=$(shell pwd)：内核makefile使用这个变量来定位要构建的外部模块的目录。.c文件应该放在该目录下。
  • all default:modules：此行指示make执行modules目标，在构建用户应用程序时，无论是all还是default都是传统目标，换句话说，make default、make all或者简单的make命令都被翻译为make modules来执行。
  • $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(shell pwd) $@：为上面列举的每个目标所执行的规则，$@被替换为引起规则运行的目标名称。换句话说，如果调用make modules，则
    $@被替换成modules，规则将被替换为$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(shell pwd) modules

linux应用层程序在编译的时候，需要链接c库和glibc库，那驱动需不需要呢？

驱动也需要，但是驱动不能链接和使用应用层层的任何lib库，驱动需要引用内核的头文件和函数。所以，编译的时候需要指定内核源码的位置，KERNERLDIR就是指定内核源码的位置。

3 编译和加载驱动

在构建外部模块（makefile文件里面使用 obj-m）之前，需要有一个完整的、预编译的内核源代码树，内核源码树版本必须与将加载和使用模块的内核相同。有两种方法可以获得预构建的内核版本。

  • 自己下载源代码，然后构建内核
  • 从发行版库安装linux-headers- *包
sudo apt-get update
sudo apt-get install linux-headers-$(uname -r)

这将只安装头文件，而不是整个源代码树，然后头文件将被安装在/usr/src/linux-headers-$(uname -r)下。有一个符号链接/lib/modules/$(uname -r)/build，指向前面安装的头文件，是在makefile中指定位内核目录的路径。这就是需要为预构建的内核所做的一切。

在驱动目录下，指向make进行编译：
在这里插入图片描述

编译出来的驱动文件为chardev.ko。
在加载驱动之前，我们可以将日志清理一下，方便我们查看驱动产生的消息，使用命令：

dmesg -c

接下来我们把这个驱动加载到内核，使用命令：

sudo insmod chardev.ko

加载的时候就会执行hello_init函数，接着使用命令查看printk输出的消息：
在这里插入图片描述
使用lsmod命令查看系统加载的驱动，可以发现chardev已经加载了
在这里插入图片描述
卸载驱动使用命令：

sudo rmmod chardev.ko

卸载的时候会执行hello_exit()函数

4 编写应用程序测试驱动

本节来看驱动的测试。

我们需要编写一个应用层的程序来对驱动进行测试：(test.c)

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>#define DATA_NUM    (64)
int main(int argc, char *argv[])
{int fd, i;int r_len, w_len;fd_set fdset;char buf[DATA_NUM]="hello world";memset(buf,0,DATA_NUM);fd = open("/dev/hello", O_RDWR);printf("%d\r\n",fd);if(-1 == fd) {perror("open file error\r\n");return -1;}	else {printf("open successe\r\n");}w_len = write(fd,buf, DATA_NUM);r_len = read(fd, buf, DATA_NUM);printf("%d %d\r\n", w_len, r_len);printf("%s\r\n",buf);return 0;
}

编译并执行，发现错误，找不到设备文件：

在这里插入图片描述
这是因为还没有创建驱动的设备文件，我们为驱动手动创建设备文件

 sudo mknod /dev/hello c 232 0

注意，这里的232和0要跟驱动文件chardev.c里定义的主次设备号对应起来。

我们再次执行：sudo ./test
在这里插入图片描述
发现成功了，我们执行dmesg查看驱动输出，发现驱动里的hell_open, hello_write, hello_read被依次调用了。
在这里插入图片描述
这就是一个完整的、最简单的驱动的开发和测试的流程。

对于应用程序中的write函数如何调用到驱动力的write函数，先上一张图简单说明下调用流程。
请添加图片描述

用户空间的程序无法直接执行内核代码，它们不能直接调用内核空间中的函数，所以应用程序会以某种方式通知系统，告诉内核自己需要执行一个系统调用，系统系统切换到内核态，通知内核的机制是靠软中断实现的：通过一个异常来促使系统切换到内核态去执行异常处理程序，此时异常处理程序就是系统调用程序，叫system_call()，system_call()根据系统调用号去执行相关的系统调用。

整个流程，上图表现的已经非常明显，但是问题也是有的，操作系统中的系统调用最终是如何知道应该调用哪个驱动里的write函数呢？

如果我们没有记错，在驱动文件里，有定义主次设备号：

int reg_major  =  232;    
int reg_minor =   0;
int hello_init(void)
{   devNum = MKDEV(reg_major, reg_minor);gDev = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);gFile = kzalloc(sizeof(struct file_operations), GFP_KERNEL);...cdev_init(gDev, gFile);cdev_add(gDev, devNum, 3);
}

在hello_init里，我们把主设备号232和此设备号0组合成了devNum。
cdev_t的结构体如下：

struct cdev   
{  struct kobject kobj;  struct module *owner; //所属模块  const struct file_operations *ops; //文件操作结构  struct list_head list;  dev_t dev; //设备号，int 类型，高12位为主设备号，低20位为次设备号  unsigned int count;  
};

cdev_init(gDev, gFile); 建立了gDev和gFile的逻辑关系，初始化gDev结构体中的ops。
cdev_add(gDev, devNum, 3); 建立了gDev和devNum的逻辑关系； cdev_add 用于向Linux内核系统中添加一个新的cdev结构体变量所描述的字符设备，并且使这个设备立即可用。gDev是被添加入Linux内核系统的字符设备，devNum代表设备的设备号，其中包括主设备号和次设备号，3代表想注册设备的设备号的范围，用于给struct cdev中的字段count赋值。

其实你翻开代码看细节会发现，以上两句代码其实建立了gFile和devNum的对应关系，也就是file_operations和devNum的对应关系，也就是建立了file_operation和主次设备号（232,0）的对应关系。

注意：在linux里，在应用层用文件句柄也就是fd表示一个打开的文件，但是在内核里用struct file 表示一个打开的文件，用struct file_operations表示对该文件的操作。fd和struct file是一一对应的,而struct file和struct file_operations也是一一对应的。这是struct file_operations的结构体定义：

struct file_operations {struct module *owner;loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);int (*open) (struct inode *, struct file *);int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);int (*release) (struct inode *, struct file *);int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);int (*fasync) (int, struct file *, int);...
};

在上一讲的例子里，我们打开的文件名字是/dev/hello,这是一个设备文件，对应的主次设备号分别为232和0。所以，当你打开/dev/hello之后，就已经建立了这个文件和驱动里的 struct file 的对应关系,也就建立了这个文件和驱动里的struct file_operations的对应关系。

好，了解以上的背景之后，我们来看看代码。

我们从内核里write系统调用的实现部分开始阅读：

相关的代码在：fs/read_write.c

ssize_t ksys_write(unsigned int fd, const char __user *buf, size_t count)
{struct fd f = fdget_pos(fd);ssize_t ret = -EBADF;if (f.file) {loff_t pos = file_pos_read(f.file);ret = vfs_write(f.file, buf, count, &pos);if (ret >= 0)file_pos_write(f.file, pos);fdput_pos(f);}return ret;
}

关键代码在vfs_write。所以，我们继续跟进入：

ssize_t vfs_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{ssize_t ret;if (!(file->f_mode & FMODE_WRITE))return -EBADF;if (!(file->f_mode & FMODE_CAN_WRITE))return -EINVAL;if (unlikely(!access_ok(buf, count)))return -EFAULT;ret = rw_verify_area(WRITE, file, pos, count);if (!ret) {if (count > MAX_RW_COUNT)count =  MAX_RW_COUNT;file_start_write(file);ret = __vfs_write(file, buf, count, pos);if (ret > 0) {fsnotify_modify(file);add_wchar(current, ret);}inc_syscw(current);file_end_write(file);}return ret;
}

继续跟入__vfs_write：

ssize_t __vfs_write(struct file *file, const char __user *p, size_t count,loff_t *pos)
{if (file->f_op->write)return file->f_op->write(file, p, count, pos);else if (file->f_op->write_iter)return new_sync_write(file, p, count, pos);elsereturn -EINVAL;
}

关键代码在这里:

if (file->f_op->write)return file->f_op->write(file, p, count, pos);

上面提到建立了/dev/hello和file_operations的关系。所以这里其实就是判断chardev驱动里有没有定义write函数，如果有，那就调用驱动里的write函数。

应用程序的write函数去调用C库里面的write函数，C库里面的write函数会产生一个异常，进入内核空间，调用系统调用函数system_call()。system_call()根据系统调用号去调用sys_wtite函数，sys_write函数根据应用程序传来的fd找到file operation，也就是驱动定义的文件（gDev）可以执行那些操作，找到file operation后，调用file operation里面的write操作

所以，按照如上的路径，应用程序里的write就顺利的调用到了hello驱动里的write函数。因为我们驱动里的hello_write和hello_read里都返回了0。所以，应用程序里的write和read也返回了0。

ssize_t hello_write(struct file *f, const char __user *u, size_t s, loff_t *l)
{printk(KERN_EMERG"hello_write\r\n");return 0;
}
ssize_t hello_read(struct file *f, char __user *u, size_t s, loff_t *l)
{printk(KERN_EMERG"hello_read\r\n");      return 0;
}

如果你想让测试程序里的write和read返回非零值，只要把驱动里的return 0，改为任意值就好了，大家可以自己测试一下。

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