在上一節(jié)完成NFS開發(fā)環(huán)境的搭建后，本節(jié)將探討Linux字符設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)。字符設(shè)備驅(qū)動作為Linux內(nèi)核的重要組成部分，主要負責(zé)管理與字符設(shè)備（如串口、鍵盤等）的交互，并為用戶空間程序提供統(tǒng)一的讀寫操作接口。

驅(qū)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(shè)備結(jié)構(gòu)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(shè)備
static int hello_open(struct inode *inode, struct file *filp) {printk(KERN_INFO "Hello device opened\n");return 0;
}// 讀取設(shè)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(shè)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(guān)閉設(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)
static int __init hello_init(void) {int ret;// 分配設(shè)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(chuàng)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(chuàng)建設(shè)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(jié)構(gòu)體cdev_init(&hello_dev.cdev, &hello_fops);hello_dev.cdev.owner = THIS_MODULE;// 添加字符設(shè)備到系統(tǒng)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(shù)
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(shù)接口詳解

1. 模塊初始化與退出相關(guān)函數(shù)

alloc_chrdev_region

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

• 功能：動態(tài)分配一組連續(xù)的字符設(shè)備號。
• 參數(shù)
  • dev：用于存儲分配到的設(shè)備號。
  • baseminor：起始的次設(shè)備號。
  • count：要分配的設(shè)備號數(shù)量。
  • name：設(shè)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(shù)錯誤碼。

class_create

struct class *class_create(struct module *owner, const char *name);

• 功能：在 /sys/class 目錄下創(chuàng)建一個設(shè)備類。
• 參數(shù)
  • 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(chuàng)建設(shè)備節(jié)點，并在 /dev 目錄下創(chuàng)建對應(yīng)的設(shè)備文件。
• 參數(shù)
  • class：指向設(shè)備類的指針。
  • parent：父設(shè)備指針，通常為 NULL。
  • devt：設(shè)備號。
  • drvdata：設(shè)備驅(qū)動數(shù)據(jù)，通常為 NULL。
  • fmt：設(shè)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(shè)備結(jié)構(gòu)體 struct cdev，并關(guān)聯(lián)文件操作結(jié)構(gòu)體 struct file_operations。
• 參數(shù)
  • 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(shè)備添加到內(nèi)核中。
• 參數(shù)
  • p：指向 struct cdev 的指針。
  • dev：設(shè)備號。
  • count：設(shè)備數(shù)量。
• 返回值：成功返回 0，失敗返回負數(shù)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(diào)用的函數(shù)。

2. 文件操作相關(guān)函數(shù)

• 在 Linux 內(nèi)核中，struct file_operations 結(jié)構(gòu)體是字符設(shè)備驅(qū)動與用戶空間進行交互的關(guān)鍵橋梁，其中 open、read、write 和 release 是比較常用的操作函數(shù)。

  struct file_operations` 結(jié)構(gòu)體中相關(guān)成員介紹

  open 函數(shù)

  int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp);
  

  • 功能：當(dāng)用戶空間使用 open() 系統(tǒng)調(diào)用打開設(shè)備文件時，內(nèi)核會調(diào)用驅(qū)動中注冊的 open 函數(shù)。該函數(shù)通常用于執(zhí)行設(shè)備的初始化操作，如分配資源、檢查設(shè)備狀態(tài)等。
  • 參數(shù)
    • struct inode *inode：指向文件對應(yīng)的索引節(jié)點，包含了文件的元信息，如文件類型、權(quán)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(dāng)前狀態(tài)、偏移量等信息。
  • 返回值：成功時返回 0，失敗時返回負數(shù)錯誤碼。

  read 函數(shù)

  ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos);
  

  • 功能：當(dāng)用戶空間使用 read() 系統(tǒng)調(diào)用從設(shè)備文件讀取數(shù)據(jù)時，內(nèi)核會調(diào)用驅(qū)動中的 read 函數(shù)。該函數(shù)負責(zé)將設(shè)備中的數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶空間的緩沖區(qū)。
  • 參數(shù)
    • struct file *filp：指向文件對象。
    • char __user *buf：用戶空間的緩沖區(qū)指針，用于存儲從設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)。
    • size_t count：用戶請求讀取的字節(jié)數(shù)。
    • loff_t *f_pos：文件的當(dāng)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(jié)數(shù)，返回 0 表示已到達文件末尾，失敗時返回負數(shù)錯誤碼。

  write 函數(shù)

  ssize_t (*write) (struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos);
  

  • 功能：當(dāng)用戶空間使用 write() 系統(tǒng)調(diào)用向設(shè)備文件寫入數(shù)據(jù)時，內(nèi)核會調(diào)用驅(qū)動中的 write 函數(shù)。該函數(shù)負責(zé)將用戶空間緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)復(fù)制到設(shè)備中。
  • 參數(shù)
    • struct file *filp：指向文件對象。
    • const char __user *buf：用戶空間的緩沖區(qū)指針，包含了要寫入設(shè)備的數(shù)據(jù)。
    • size_t count：用戶請求寫入的字節(jié)數(shù)。
    • loff_t *f_pos：文件的當(dāng)前偏移量指針。
  • 返回值：成功時返回實際寫入的字節(jié)數(shù)，失敗時返回負數(shù)錯誤碼。

  release 函數(shù)

  int (*release) (struct inode *inode, struct file *filp);
  

  • 功能：當(dāng)用戶空間使用 close() 系統(tǒng)調(diào)用關(guān)閉設(shè)備文件時，內(nèi)核會調(diào)用驅(qū)動中的 release 函數(shù)。該函數(shù)通常用于執(zhí)行設(shè)備的清理操作，如釋放資源、關(guān)閉設(shè)備等。
  • 參數(shù)
    • struct inode *inode：指向文件對應(yīng)的索引節(jié)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(shù)錯誤碼。

3. 模塊卸載相關(guān)函數(shù)

cdev_del

void cdev_del(struct cdev *p);

• 功能：從內(nèi)核中移除字符設(shè)備。
• 參數(shù)
  • 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(shè)備節(jié)點和 /dev 目錄下的設(shè)備文件。
• 參數(shù)
  • class：指向設(shè)備類的指針。
  • devt：設(shè)備號。

class_destroy

void class_destroy(struct class *cls);

• 功能：銷毀 /sys/class 目錄下的設(shè)備類。
• 參數(shù)
  • 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(shè)備號。
• 參數(shù)
  • from：起始的設(shè)備號。
  • count：要釋放的設(shè)備號數(shù)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(nèi)核源碼路徑。

編譯驅(qū)動

在終端中執(zhí)行 make 命令編譯驅(qū)動模塊。

測試驅(qū)動

在 QEMU 終端中：

1. 使用 insmod helloworld.ko 加載驅(qū)動模塊。
2. 使用 echo “Hello World” > /dev/helloworld 向設(shè)備寫入數(shù)據(jù)。
3. 使用 cat /dev/helloworld 從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。
4. 使用 rmmod hello_chrdev.ko 卸載驅(qū)動模塊。