三、linux字符驅動詳解

在上一節完成NFS開發環境的搭建后，本節將探討Linux字符設備驅動的開發。字符設備驅動作為Linux內核的重要組成部分，主要負責管理與字符設備（如串口、鍵盤等）的交互，并為用戶空間程序提供統一的讀寫操作接口。

驅動代碼

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/cdev.h> #define DEVICE_NAME "hello_chrdev"
#define BUFFER_SIZE 100// 設備結構體
typedef struct {char buffer[BUFFER_SIZE];struct class *class;struct device *device;dev_t dev_num;struct cdev cdev;
} HelloDevice;static HelloDevice hello_dev;// 打開設備
static int hello_open(struct inode *inode, struct file *filp) {printk(KERN_INFO "Hello device opened\n");return 0;
}// 讀取設備
static ssize_t hello_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {size_t len = strlen(hello_dev.buffer);if (*f_pos >= len) {return 0;}if (count > len - *f_pos) {count = len - *f_pos;}if (copy_to_user(buf, hello_dev.buffer + *f_pos, count)) {return -EFAULT;}*f_pos += count;return count;
}// 寫入設備
static ssize_t hello_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {if (count > BUFFER_SIZE - 1) {count = BUFFER_SIZE - 1;}if (copy_from_user(hello_dev.buffer, buf, count)) {return -EFAULT;}hello_dev.buffer[count] = '\0';*f_pos += count;return count;
}// 關閉設備
static int hello_release(struct inode *inode, struct file *filp) {printk(KERN_INFO "Hello device closed\n");return 0;
}// 文件操作結構體
static struct file_operations hello_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = hello_open,.read = hello_read,.write = hello_write,.release = hello_release,
};// 模塊初始化函數
static int __init hello_init(void) {int ret;// 分配設備號ret = alloc_chrdev_region(&hello_dev.dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME);if (ret < 0) {printk(KERN_ERR "Failed to allocate character device number\n");return ret;}// 創建類hello_dev.class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);if (IS_ERR(hello_dev.class)) {unregister_chrdev_region(hello_dev.dev_num, 1);printk(KERN_ERR "Failed to create class\n");return PTR_ERR(hello_dev.class);}// 創建設備hello_dev.device = device_create(hello_dev.class, NULL, hello_dev.dev_num, NULL, DEVICE_NAME);if (IS_ERR(hello_dev.device)) {class_destroy(hello_dev.class);unregister_chrdev_region(hello_dev.dev_num, 1);printk(KERN_ERR "Failed to create device\n");return PTR_ERR(hello_dev.device);}// 初始化 cdev 結構體cdev_init(&hello_dev.cdev, &hello_fops);hello_dev.cdev.owner = THIS_MODULE;// 添加字符設備到系統ret = cdev_add(&hello_dev.cdev, hello_dev.dev_num, 1);if (ret < 0) {device_destroy(hello_dev.class, hello_dev.dev_num);class_destroy(hello_dev.class);unregister_chrdev_region(hello_dev.dev_num, 1);printk(KERN_ERR "Failed to add character device\n");return ret;}printk(KERN_INFO "Hello device initialized. Major: %d, Minor: %d\n", MAJOR(hello_dev.dev_num), MINOR(hello_dev.dev_num));return 0;
}// 模塊卸載函數
static void __exit hello_exit(void) {cdev_del(&hello_dev.cdev);device_destroy(hello_dev.class, hello_dev.dev_num);class_destroy(hello_dev.class);unregister_chrdev_region(hello_dev.dev_num, 1);printk(KERN_INFO "Hello device removed\n");
}module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple hello world character device driver");

函數接口詳解

1. 模塊初始化與退出相關函數
alloc_chrdev_region
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);
  • 功能：動態分配一組連續的字符設備號。
  • 參數
    • dev：用于存儲分配到的設備號。
    • baseminor：起始的次設備號。
    • count：要分配的設備號數量。
    • name：設備的名稱，用于在 /proc/devices 中顯示。
  • 返回值：成功返回 0，失敗返回負數錯誤碼。
class_create
struct class *class_create(struct module *owner, const char *name);
  • 功能：在 /sys/class 目錄下創建一個設備類。
  • 參數
    • owner：指向模塊的指針，通常為 THIS_MODULE。
    • name：類的名稱。
  • 返回值：成功返回指向 struct class 的指針，失敗返回錯誤指針。
device_create
struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...);
  • 功能：在 /sys/class/<class_name> 目錄下創建設備節點，并在 /dev 目錄下創建對應的設備文件。
  • 參數
    • class：指向設備類的指針。
    • parent：父設備指針，通常為 NULL。
    • devt：設備號。
    • drvdata：設備驅動數據，通常為 NULL。
    • fmt：設備名稱的格式化字符串。
  • 返回值：成功返回指向 struct device 的指針，失敗返回錯誤指針。
cdev_init
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops);
  • 功能：初始化字符設備結構體 struct cdev，并關聯文件操作結構體 struct file_operations。
  • 參數
    • cdev：指向 struct cdev 的指針。
    • fops：指向 struct file_operations 的指針。
cdev_add
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);
  • 功能：將字符設備添加到內核中。
  • 參數
    • p：指向 struct cdev 的指針。
    • dev：設備號。
    • count：設備數量。
  • 返回值：成功返回 0，失敗返回負數錯誤碼。
module_init 和 module_exit
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
  • 功能：分別指定模塊加載和卸載時調用的函數。
2. 文件操作相關函數

  • 在 Linux 內核中，struct file_operations 結構體是字符設備驅動與用戶空間進行交互的關鍵橋梁，其中 open、read、write 和 release 是比較常用的操作函數。

    struct file_operations` 結構體中相關成員介紹

    open 函數
    int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp);
    • 功能：當用戶空間使用 open() 系統調用打開設備文件時，內核會調用驅動中注冊的 open 函數。該函數通常用于執行設備的初始化操作，如分配資源、檢查設備狀態等。
    • 參數
      • struct inode *inode：指向文件對應的索引節點，包含了文件的元信息，如文件類型、權限等。
      • struct file *filp：指向文件對象，代表了一個打開的文件實例，包含了文件的當前狀態、偏移量等信息。
    • 返回值：成功時返回 0，失敗時返回負數錯誤碼。
    read 函數
    ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos);
    • 功能：當用戶空間使用 read() 系統調用從設備文件讀取數據時，內核會調用驅動中的 read 函數。該函數負責將設備中的數據復制到用戶空間的緩沖區。
    • 參數
      • struct file *filp：指向文件對象。
      • char __user *buf：用戶空間的緩沖區指針，用于存儲從設備讀取的數據。
      • size_t count：用戶請求讀取的字節數。
      • loff_t *f_pos：文件的當前偏移量指針，可通過修改該指針來更新文件的讀寫位置。
    • 返回值：成功時返回實際讀取的字節數，返回 0 表示已到達文件末尾，失敗時返回負數錯誤碼。
    write 函數
    ssize_t (*write) (struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos);
    • 功能：當用戶空間使用 write() 系統調用向設備文件寫入數據時，內核會調用驅動中的 write 函數。該函數負責將用戶空間緩沖區中的數據復制到設備中。
    • 參數
      • struct file *filp：指向文件對象。
      • const char __user *buf：用戶空間的緩沖區指針，包含了要寫入設備的數據。
      • size_t count：用戶請求寫入的字節數。
      • loff_t *f_pos：文件的當前偏移量指針。
    • 返回值：成功時返回實際寫入的字節數，失敗時返回負數錯誤碼。
    release 函數
    int (*release) (struct inode *inode, struct file *filp);
    • 功能：當用戶空間使用 close() 系統調用關閉設備文件時，內核會調用驅動中的 release 函數。該函數通常用于執行設備的清理操作，如釋放資源、關閉設備等。
    • 參數
      • struct inode *inode：指向文件對應的索引節點。
      • struct file *filp：指向文件對象。
    • 返回值：成功時返回 0，失敗時返回負數錯誤碼。
3. 模塊卸載相關函數
cdev_del
void cdev_del(struct cdev *p);
  • 功能：從內核中移除字符設備。
  • 參數
    • p：指向 struct cdev 的指針。
device_destroy
void device_destroy(struct class *class, dev_t devt);
  • 功能：銷毀 /sys/class/<class_name> 目錄下的設備節點和 /dev 目錄下的設備文件。
  • 參數
    • class：指向設備類的指針。
    • devt：設備號。
class_destroy
void class_destroy(struct class *cls);
  • 功能：銷毀 /sys/class 目錄下的設備類。
  • 參數
    • cls：指向 struct class 的指針。
unregister_chrdev_region
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
  • 功能：釋放之前分配的字符設備號。
  • 參數
    • from：起始的設備號。
    • count：要釋放的設備號數量。

編譯和測試

編寫 Makefile
obj-m += helloworld.o
KDIR := linux-5.15.18/
PWD := $(shell pwd)
default:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

將 linux-5.15.18/ 替換為實際的 Linux 5.15.18 內核源碼路徑。

編譯驅動

在終端中執行 make 命令編譯驅動模塊。

測試驅動

在 QEMU 終端中：

  1. 使用 insmod helloworld.ko 加載驅動模塊。
  2. 使用 echo “Hello World” > /dev/helloworld 向設備寫入數據。
  3. 使用 cat /dev/helloworld 從設備讀取數據。
  4. 使用 rmmod hello_chrdev.ko 卸載驅動模塊。
    在這里插入圖片描述

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