一、字符設備體結構介紹

1.字符設備作為linux內核三大驅動設備之一，主要完成字節的讀寫操作，常見的應用有鼠標、鍵盤等，結構體形式如下所示：

struct cdev{

struct kobject kobj;

struct module *owner;//所說模塊

struct file_operations *ops;//字符設備操作方法

struct list_head list; ?

dev_t dev; ? ? //設備

unsigned int count;

}

cdev結構體的dev_t成員定義了設備號，為32位，其中12位為主設備號，20位為次設備號。使用下列
宏可以從dev_t獲得主設備號和次設備號：
MAJOR(dev_t dev)
MINOR(dev_t dev)

而使用下列宏則可以通過主設備號和次設備號生成dev_t
MKDEV(int major, int minor)
2.字符設備結構體操作方法，Linux內核提供了一組函數以用于操作cdev結構體：
void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *);
struct cdev *cdev_alloc(void);
void cdev_put(struct cdev *p);
int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
void cdev_del(struct cdev *);
cdev_init（）函數用于初始化cdev的成員，并建立cdev和file_operations之間的連接
cdev_alloc（）函數用于動態申請一個cdev內存
cdev_add（）函數和cdev_del（）函數分別向系統添加和刪除一個cdev，完成字符設備的注冊和注銷。對cdev_add（）的調用通常發生在字符設備驅動模塊加載函數中，而對cdev_del（）函數的調用則通常發生在字符設備驅動模塊卸載函數中。

3.分配設備號
在調用cdev_add（）函數向系統注冊字符設備之前，應首先調用register_chrdev_region（）或
alloc_chrdev_region（）函數向系統申請設備號，這兩個函數的原型為：

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name); //已知起始設備號
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name);//位置起始設備號

4.file_operations結構體
file_operations結構體中的成員函數是字符設備驅動程序設計的主體內容，這些函數實際會在應用程序進行Linux的open（）、write（）、read（）、close（）等系統調用時最終被內核調用。file_operations結構體目前已經比較龐大：
llseek（）函數用來修改一個文件的當前讀寫位置，并將新位置返回，在出錯時，這個函數返回一個負值。
read（）函數用來從設備中讀取數據，成功時函數返回讀取的字節數，出錯時返回一個負值。它與用戶空間應用程序中的ssize_t read（int fd，void*buf，size_t count）和size_t fread（void*ptr，size_t size，size_t nmemb，FILE*stream）對應。
write（）函數向設備發送數據，成功時該函數返回寫入的字節數。如果此函數未被實現，當用戶進行write（）系統調用時，將得到-EINVAL返回值。它與用戶空間應用程序中的ssize_t write（int fd，constvoid*buf，size_t count）和size_t fwrite（const void*ptr，size_t size，size_t nmemb，FILE*stream）對應。
read（）和write（）如果返回0，則暗end-of-file（EOF）。
unlocked_ioctl（）提供設備相關控制命令的實現（既不是讀操作，也不是寫操作），當調用成功時，返回給調用程序一個非負值。它與用戶空間應用程序調用的int fcntl（int fd，int cmd，.../*arg*/）和intioctl（int d，int request，...）對應。
mmap（）函數將設備內存映射到進程的虛擬地址空間中，如果設備驅動未實現此函數，用戶進行mmap（）系統調用時將獲得-ENODEV返回值。這個函數對于幀緩沖等設備特別有意義，幀緩沖被映射到用戶空間后，應用程序可以直接訪問它而無須在內核和應用間進行內存復制。它與用戶空間應用程序中的void*mmap（void*addr，size_t length，int prot，int flags，int fd，off_t offset）函數對應。


5.linux字符設備組成
（1）字符設備驅動模塊加載與卸載函數
static int __init globalmem_init(void)?
static void __exit globalmem_exit(void)
在字符設備驅動模塊加載函數中應該實現設備號的申請和cdev的注冊，而在卸載函數中應實現設備號的釋放和cdev的注銷。

二、字符結構體編碼實現

在內核代碼中.../drivers/ ? 新建globalmem文件夾，在此目錄下新建globalmem.c 和相應的Makefile文件

1.globalmem.c文件

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/uaccess.h>

#define GLOBALMEM_SIZE 0x1000
#define MEM_CLEAR 0x1
#define GLOBALMEM_MAJOR 230

static int globalmem_major = GLOBALMEM_MAJOR; //定義主設備號
module_param(globalmem_major, int, S_IRUGO);//模塊傳參

struct globalmem_dev { ? //定義globalmen_dev結構體
?struct cdev cdev;//字符結構體
?unsigned char mem[GLOBALMEM_SIZE];//使用內存
};

struct globalmem_dev *globalmem_devp;//申明globalmem結構對象


//globalmem設備驅動的讀函數
static ssize_t globalmem_read(struct file *filp, char __user * buf, size_t size,
?loff_t * ppos)
{
?unsigned long p = *ppos;
?unsigned int count = size;
?int ret = 0;
?struct globalmem_dev *dev = filp->private_data;

?if (p >= GLOBALMEM_SIZE)
?return 0;
?if (count > GLOBALMEM_SIZE - p)
?count = GLOBALMEM_SIZE - p;
?if (copy_to_user(buf, dev->mem + p, count)) {
?ret = -EFAULT;
?} else {
?*ppos += count;
?ret = count;
?printk(KERN_INFO "read %u bytes(s) from %lu\n", count, p);
?}
?return ret;
}
//globalmem設備驅動的寫函數
static ssize_t globalmem_write(struct file *filp, const char __user * buf,
?size_t size, loff_t * ppos)
{
?unsigned long p = *ppos;
?unsigned int count = size;
?int ret = 0;
?struct globalmem_dev *dev = filp->private_data;


?if (p >= GLOBALMEM_SIZE)
?return 0;
?if (count > GLOBALMEM_SIZE - p)
?count = GLOBALMEM_SIZE - p;

?if (copy_from_user(dev->mem + p, buf, count))
?ret = -EFAULT;
?else {
?*ppos += count;
?ret = count;
?
?printk(KERN_INFO "written %u bytes(s) from %lu\n", count, p);
?}
?return ret;
}
//尋址函數
static loff_t globalmem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int orig)
{
?loff_t ret = 0;
?switch (orig) {
?case 0: /* 從文件開頭位置seek */
?if (offset< 0) {
?ret = -EINVAL;
?break;
?}
?if ((unsigned int)offset > GLOBALMEM_SIZE) {
?ret = -EINVAL;
?break;
?}
?filp->f_pos = (unsigned int)offset;
?ret = filp->f_pos;
?break;
?case 1: /* 從文件當前位置開始seek */
?if ((filp->f_pos + offset) > GLOBALMEM_SIZE) {
?ret = -EINVAL;
?break;
?}
?if ((filp->f_pos + offset) < 0) {
?ret = -EINVAL;
?break;
?}
?filp->f_pos += offset;
?ret = filp->f_pos;
?break;
?default:
?ret = -EINVAL;
?break;
?}
?return ret;
}

static long globalmem_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd,
?unsigned long arg)
{
?struct globalmem_dev *dev = filp->private_data;
?switch (cmd) {
?case MEM_CLEAR:
?memset(dev->mem, 0, GLOBALMEM_SIZE);
?printk(KERN_INFO "globalmem is set to zero\n");
?break;
?default:
?return -EINVAL;
?}

?return 0;
}
//open函數
static int globalmem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
?filp->private_data = globalmem_devp;
?return 0;
}

//release函數
static int globalmem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
?return 0;
}

/*定義字符結構體方法*/
static const struct file_operations globalmem_fops = {
?.owner = THIS_MODULE,
?.llseek = globalmem_llseek,
?.read = globalmem_read,
?.write = globalmem_write,
?.unlocked_ioctl = globalmem_ioctl,
?.open = globalmem_open,
?.release = globalmem_release,
};
//字符設備加載函數
static void globalmem_setup_cdev(struct globalmem_dev *dev, int index) ?
{
?int err, devno = MKDEV(globalmem_major, index);//獲取設備結構體dev_t


?cdev_init(&dev->cdev, &globalmem_fops);//初始化字符設備和字符設備處理方法
?dev->cdev.owner = THIS_MODULE;//初始化字符設備所屬模塊
?err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);//添加一個字符設備
?if (err)
?printk(KERN_NOTICE "Error %d adding globalmem%d", err, index);

}

//模塊初始化
static int __init globalmem_init(void) //初始化模塊
{
?int ret;
?dev_t devno = MKDEV(globalmem_major, 0);//獲取字符設備結構體
?if (globalmem_major)
?ret = register_chrdev_region(devno, 1, "globalmem");//注冊此cdev設備
?else {
?ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "globalmem");//申請字符設備cdev空間
?globalmem_major = MAJOR(devno);//獲取主設備號
?}
?if (ret < 0)
?return ret;
?globalmem_devp = kzalloc(sizeof(struct globalmem_dev), GFP_KERNEL);//分配globalmem結構體內存
?if (!globalmem_devp) {
?ret = -ENOMEM;
?goto fail_malloc; ? ?//分配失敗擇跳轉

?}

//主次設備的不同
?globalmem_setup_cdev(globalmem_devp, 0);
?return 0;
?fail_malloc:
?unregister_chrdev_region(devno, 1);
?return ret;
}
module_init(globalmem_init);


//模塊卸載函數
static void __exit globalmem_exit(void)
{
?cdev_del(&globalmem_devp->cdev);
?kfree(globalmem_devp);
?unregister_chrdev_region(MKDEV(globalmem_major, 0), 1);
}
module_exit(globalmem_exit);

MODULE_AUTHOR("Barry Song <baohua@kernel.org>");

MODULE_LICENSE("GPL v2");

2.Makefile文件編寫

KVERS = $(shell uname -r)
# Kernel modules
obj-m += globalmem.o

# Specify flags for the module compilation.
#EXTRA_CFLAGS=-g -O0
build: kernel_modules
kernel_modules:
make -C /lib/modules/$(KVERS)/build M=$(CURDIR) modules
clean:

make -C /lib/modules/$(KVERS)/build M=$(CURDIR) clean

3.字符設備驗證

（1）在globalmem目錄下make

（2）管理員身份插入模塊

（3）輸入字符到此字符設備中

創建設備節點：mknod /dev/globalmem c 230 0 ? //230 0 為你創建設備的主設備與次設備號

寫入字符串：echo "hello world!">/dev/globalmem?

查看輸入信息：cat /dev/globalmem

查看讀寫情況：dmesg -c globalmem

4.編寫測試代碼驗證

建立globalmemTest測試文件，代碼如下所示：

#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>


int main(void)
{
char s[] = "Linux Programmer!\n";
char buffer[80];
int fd=open("/dev/globalmem",O_RDWR);//打開globalmem設備，fd返回大于2的數則成功，O_RDWR為權限賦予
write(fd,s,sizeof(s)); ? ? ? ? ?//將字符串s寫入globalmem字符設備中
printf("test write %d %s\n",fd,s ); ?
? ? ? ? close(fd); ?//關閉設備
fd=open("/dev/globalmem",O_RDWR);
read(fd,buffer,sizeof(buffer)); ? //讀取globalmem設備中存儲的數據
printf("test read %d %s\n",fd,buffer); ?//輸出結果顯示
return 0;

}

結果展示：

總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux设备驱动学习（二）——字符设备编写及测试的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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