作  者：道哥，10＋年嵌入式開發(fā)老兵，專注于：C／C＋＋、嵌入式、Linux。

別人的經(jīng)驗(yàn)，我們的階梯！

大家好，我是道哥，今天我為大伙兒解說的技術(shù)知識點(diǎn)是：【字符設(shè)備的驅(qū)動程序】。

在上一篇文章中，討論的是Linux系統(tǒng)中，驅(qū)動模塊的兩種編譯方式。

我們就繼續(xù)以此為基礎(chǔ)，用保姆級的粒度一步一步操作，來討論一下字符設(shè)備驅(qū)動程序的編寫方法。

1． 這篇文章的實(shí)際操作部分，使用的是的 API 函數(shù)；

2． 下一篇文章，再來演示新的 API 函數(shù)；

混亂的 API 函數(shù)

我在剛開始接觸Linux驅(qū)動的時候，非常的困擾：注冊一個字符設(shè)備，怎么有這么多的 API 函數(shù)��？

參考的每一篇文章中，使用的函數(shù)都不一樣，但是執(zhí)行結(jié)果都是符合預(yù)期的！

比如下面這幾個：

register＿chrdev（．．．）；

register＿chrdev＿regin（．．．）；

cdev＿add（．．．）；

它們的功能都是向系統(tǒng)注冊字符設(shè)備，但是只從函數(shù)名上看，初學(xué)者誰能分得清它們的區(qū)別？！

這也難怪，Linux系統(tǒng)經(jīng)過這么多年的發(fā)展，代碼更新是很正常的事情。

但是，我們參考的文章就沒法做到：很詳細(xì)的把文章中所描述內(nèi)容的背景介紹清楚，往往都是文章作者在自己的實(shí)際工作環(huán)境中，測試某種方法解決了自己的問題，于是就記錄成文。

不同的文章、不同的工作上下文、不同的API函數(shù)調(diào)用，這往往就苦了我們初學(xué)者，特別是我這種有選擇障礙癥的人！

其實(shí)，上面這個幾個函數(shù)都是正確的，它們的功能都是類似的，它們是 Linux 系統(tǒng)中不同階段的產(chǎn)物。

舊的 API 函數(shù)

在Linux內(nèi)核代碼2．4版本和早期的2．6版本中，注冊、卸載字符設(shè)備驅(qū)動程序的經(jīng)典方式是：

注冊設(shè)備：

int register＿chrdev（unsigned int major，const char ＊name，struct file＿operations ＊fops）；

參數(shù)1 major：如果為0 － 由操作系統(tǒng)動態(tài)分配一個主設(shè)備號給這個設(shè)備；如果非0 － 驅(qū)動程序向系統(tǒng)申請，使用這個主設(shè)備號；

參數(shù)2 name：設(shè)備名稱；

參數(shù)3 fops：file＿operations 類型的指針變量，用于操作設(shè)備；

如果是動態(tài)分配，那么這個函數(shù)的返回值就是：操作系統(tǒng)動態(tài)分配給這個設(shè)備的主設(shè)備號。

這個動態(tài)分配的設(shè)備號，我們要把它記住，因?yàn)樵谄渌�的API函數(shù)中需要使用它。

卸載設(shè)備：

int unregister＿chrdev（unsigned int major，const char ＊name）

參數(shù)1 major：設(shè)備的主設(shè)備號，也就是 register＿chrdev（） 函數(shù)的返回值（動態(tài)），或者驅(qū)動程序指定的設(shè)備號（靜態(tài)方式）；

參數(shù)2 name：設(shè)備名稱；

新的 API 函數(shù)

注冊設(shè)備：

int register＿chrdev＿region（dev＿t from， unsigned count， const char ＊name）；
int alloc＿chrdev＿region（dev＿t ＊dev， unsigned baseminor， unsigned count，const char ＊name）；

上面這2個注冊設(shè)備的函數(shù)，其實(shí)對應(yīng)著舊的 API 函數(shù) register＿chrdev：把參數(shù) 1 表示的動態(tài)分配、靜態(tài)分配，拆分成2個函數(shù)而已。

也就是說：

register＿chrdev＿region（）： 靜態(tài)注冊設(shè)備；

alloc＿chrdev＿region（）： 動態(tài)注冊設(shè)備；

這兩個函數(shù)的參數(shù)含義是：

register＿chrdev＿region 參數(shù)：

參數(shù)1 from： 注冊指定的設(shè)備號，這是靜態(tài)指定的，例如：MKDEV（200， 0） 表示起始主設(shè)備號 200， 起始次設(shè)備號為 0；

參數(shù)2 count： 驅(qū)動程序指定連續(xù)注冊的次設(shè)備號的個數(shù)，例如：起始次設(shè)備號是 0，count 為 10，表示驅(qū)動程序?qū)�會使�?0 ～ 9 這 10 個次設(shè)備號；

參數(shù)3 name：設(shè)備名稱；

alloc＿chrdev＿region 參數(shù)：

參數(shù)1 dev： 動態(tài)注冊就是系統(tǒng)來分配設(shè)備號，那么驅(qū)動程序就要提供一個指針變量來接收系統(tǒng)分配的結(jié)果（設(shè)備號）；

參數(shù)2 baseminor： 驅(qū)動程序指定此設(shè)備號的起始值；

參數(shù)3 count： 驅(qū)動程序指定連續(xù)注冊的次設(shè)備號的個數(shù)，例如：起始次設(shè)備號是 0，count 為 10，表示驅(qū)動程序?qū)�會使�?0 ～ 9 這 10 個次設(shè)備號；

參數(shù)4 name：設(shè)備名稱；

補(bǔ)充一下關(guān)于設(shè)備號的內(nèi)容：

這里的結(jié)構(gòu)體 dev＿t，用來保存設(shè)備號，包括主設(shè)備號和次設(shè)備號。

它本質(zhì)上是一個 32 位的數(shù)，其中的 12 位用來表示主設(shè)備號，而其余 20 位用來表示次設(shè)備號。

系統(tǒng)中定義了3宏，來實(shí)現(xiàn)dev＿t變量、主設(shè)備號、次設(shè)備號之間的轉(zhuǎn)換：

MAJOR（dev＿t dev）： 從  dev＿t 類型中獲取主設(shè)備號；

MINOR（dev＿t dev）：  從 dev＿t 類型中獲取次設(shè)備號；

MKDEV（int major，int minor）： 把主設(shè)備號和次設(shè)備號轉(zhuǎn)換為 dev＿t 類型；

卸載設(shè)備：

void unregister＿chrdev＿region（dev＿t from， unsigned count）；

參數(shù)1 from： 注銷的設(shè)備號；

參數(shù)2 count： 注銷的連續(xù)次設(shè)備號的個數(shù)；

代碼實(shí)操

下面，我們就用舊的API函數(shù)，一步一步的描述字符設(shè)備驅(qū)動程序的：編寫、加載和卸載過程。

如何使用新的API函數(shù)來編寫字符設(shè)備驅(qū)動程序，下一篇文章再詳細(xì)討論。

以下所有操作的工作目錄，都是與上一篇文章相同的，即：～／tmp／linux－4．15／drivers／。

創(chuàng)建驅(qū)動目錄和驅(qū)動程序

創(chuàng)建 Makefile 文件

＄ touch Makefile

內(nèi)容如下：

編譯驅(qū)動模塊

＄ make

得到驅(qū)動程序： driver1．ko 。

加載驅(qū)動模塊

在加載驅(qū)動模塊之前，先來看一下系統(tǒng)中，幾個與驅(qū)動設(shè)備相關(guān)的地方。

先看一下 ／dev 目錄下，目前還沒有我們的設(shè)備節(jié)點(diǎn)（ ／dev／driver1 ）。

再來查看一下 ／proc／devices 目錄下，也沒有 driver1 設(shè)備的設(shè)備號。

cat ／proc／devices  ｜ grep driver1

／proc／devices 文件： 列出字符和塊設(shè)備的主設(shè)備號，以及分配到這些設(shè)備號的設(shè)備名稱。

執(zhí)行如下指令，加載驅(qū)動各模塊：

＄ sudo insmod driver1．ko

通過上一篇文章我們知道，當(dāng)驅(qū)動程序被加載的時候，通過 module＿init（driver1＿init）； 注冊的函數(shù) driver1＿init（） 將會被執(zhí)行，那么其中的打印信息就會輸出。

還是通過 dmesg 指令來查看驅(qū)動模塊的打印信息：

＄ dmesg

如果輸入信息太多，可以使用dmesg ｜ tail指令；

此時，驅(qū)動模塊已經(jīng)被加載了！

來查看一下 ／proc／devices 目錄下顯示的設(shè)備號：

可以看到 driver1 已經(jīng)掛載好了，并且它的主設(shè)備號是244。

此時，雖然已經(jīng)向系統(tǒng)注冊了這個設(shè)備，并且主設(shè)備號已經(jīng)分配了，但是，在／dev目錄下，還不存在這個設(shè)備的節(jié)點(diǎn)，需要我們手動創(chuàng)建：

sudo mknod －m 660 ／dev／driver1 c 244 0

檢查一下設(shè)備節(jié)點(diǎn)是否創(chuàng)建成功：

＄ ls －l ／dev

關(guān)于設(shè)備節(jié)點(diǎn)，Linux 的應(yīng)用層有一個 udev 服務(wù)，可以自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)；

也就是：當(dāng)驅(qū)動模塊被加載的時候，自動在 ／dev 目錄下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)。當(dāng)然了，我們需要在驅(qū)動程序中，提前告訴 udev 如何去創(chuàng)建；

下面會介紹：如何自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

現(xiàn)在，設(shè)備的驅(qū)動程序已經(jīng)加載了，設(shè)備節(jié)點(diǎn)也被創(chuàng)建好了，應(yīng)用程序就可以來操作（讀、寫）這個設(shè)備了。

應(yīng)用程序

我們把所有的應(yīng)用程序，放在 ～／tmp／App／ 目錄下。

＄ cd ～／tmp

＄ mkdir －p App／app＿driver1

＄ touch app＿driver1．c

app＿driver1．c 文件的內(nèi)容如下：

這里演示的僅僅是通過打印信息來體現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用，并沒有實(shí)際的讀取數(shù)據(jù)和寫入數(shù)據(jù)。

因?yàn)�，讀寫數(shù)據(jù)又涉及到復(fù)雜的用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝問題。

應(yīng)用程序準(zhǔn)備妥當(dāng)，接下來就是編譯和測試了：

＄ gcc app＿driver1．c －o app＿driver1

＄ sudo ．／app＿driver1

應(yīng)用程序的輸出信息如下：

app＿driver1＄ sudo ．／app＿driver1

［sudo］ password for xxxx： ＜輸入用戶密碼＞

read ret ＝ 0

write ret ＝ 0

從返回值來看，成功打開了設(shè)備，并且調(diào)用讀函數(shù)、寫函數(shù)都成功了！

根據(jù)Linux系統(tǒng)的驅(qū)動框架，應(yīng)用層的 open、read、write 函數(shù)被調(diào)用的時候，驅(qū)動程序中對應(yīng)的函數(shù)就會被執(zhí)行：

我們已經(jīng)在驅(qū)動程序的這三個函數(shù)中打印了信息，繼續(xù)用dmesg命令查看一下：

卸載驅(qū)動模塊

卸載指令：

＄ sudo rmmod driver1

繼續(xù)用dmesg指令來查看驅(qū)動程序中的打印信息：

說明驅(qū)動程序中的 driver1＿exit（） 函數(shù)被調(diào)用了。

此時，我們來看一下 ／proc／devices 目錄下變化：

可以看到：剛才設(shè)備號為244的  driver1 已經(jīng)被系統(tǒng)卸載了！因?yàn)轵?qū)動程序中的 unregister＿chrdev（major，＂driver1＂）； 函數(shù)被執(zhí)行了。

但是，由于 ／dev 目錄下的設(shè)備節(jié)點(diǎn) driver1 ，是剛才手動創(chuàng)建的，因此需要我們手動刪除。

＄ sudo rm ／dev／driver1

小結(jié)

以上，就是字符設(shè)備的最簡單驅(qū)動程序！

從編寫過程可以看出：Linux系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)好了一套驅(qū)動程序的框架。

我們只需要按照它要求，按部就班地把每一個函數(shù)或者是結(jié)構(gòu)體，注冊到系統(tǒng)中就可以了。

自動在 ／dev 目錄下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)

在上面的操作過程中，設(shè)備節(jié)點(diǎn) ／dev／driver1 是手動創(chuàng)建的。

Linux 系統(tǒng)的應(yīng)用層提供了 udev 這個服務(wù)，可以幫助我們自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)。我們現(xiàn)在就來把這個功能補(bǔ)上。

修改驅(qū)動程序

為了方便比較，添加的代碼全部用宏定義 UDEV＿ENABLE 控制起來。

driver1．c代碼中，有 3 處變化：

1． 定義 2 個全局變量

＃ifdef UDEV＿ENABLE

static struct class  ＊driver1＿class；

static struct device ＊driver1＿dev；

＃endif

2． driver1＿init（） 函數(shù)

3． driver1＿exit（） 函數(shù)

代碼修改之后（也可以直接下載我放在網(wǎng)盤里的源代碼），重新編譯驅(qū)動模塊：

＄ make

生成driver1．ko驅(qū)動模塊，然后加載它：

先確定一下：／proc／devices，／dev 目錄下，已經(jīng)沒有剛才測試的設(shè)備了；

為了便于查看驅(qū)動程序中的打印信息，最好把 dmesg 輸出的打印信息清理一下（指令：sudo dmesg －c）；

＄ sudo insmod driver1．ko

按照剛才的操作流程，我們需要來驗(yàn)證3個信息：

（1） 看一下驅(qū)動程序的打印信息（指令：dmesg）：

（2） 看一下 ／proc／devices 下的設(shè)備注冊情況：

（3） 看一下 ／dev 下，是否自動創(chuàng)建了設(shè)備節(jié)點(diǎn)：

通過以上3張圖片，可以得到結(jié)論：驅(qū)動程序正確加載了，設(shè)備節(jié)點(diǎn)被自動創(chuàng)建了！

下面，就應(yīng)該是應(yīng)用程序登場測試了，代碼不用修改，直接執(zhí)行即可：

＄ sudo ．／app＿driver1

［sudo］ password for xxx： ＜輸入用戶密碼＞

read ret ＝ 0

write ret ＝ 0

應(yīng)用層的函數(shù)返回值正確！

再看一下 dmesg 的輸出信息：