linux简单字符设备驱动

我们都知道，在linux下，是以访问设备文件的方式访问字符设备和块设备驱动的。在字符设备驱动中，有三种重要的数据结构：file_operations结构、file结构、inode结构。

file_operations：结构将对驱动程序的操作连接到设备号。这个结构中的每个字段都必须指向驱动程序中实现特定操作的函数，对于不支持的操作，对应的字段可以置为NULL值。file_operations采用标准C的标记化结构初始化语法，可以对结构程序重新排列。

file结构：一个file结构对应一个打开的文件，由内核在open时候创建，直到最后的close函数，在文件的所有实例都被关闭之后，内核会释放这个数据结构。

inode结构：内核采用inode结构在内部表示文件，一个文件对应一个inode结构。用于记录文件的物理信息。

字符设备驱动的并发与竞态：在设计设备驱动的时候一定要考虑并发于竞态，所谓并发就是驱动程序被多个执行单元同时执行，所谓竞态就是多个执行单元访问共享资源。解决并发与竞态的方法就是加锁。

下面以程序为例来说明一个简单的字符设备驱动。

#include <linux/init.h>    /*must*/
#include <linux/module.h>  /*must*/
#include <linux/fs.h>      /*must*/
#include <linux/kernel.h> /*printk()*/
#include <linux/errno.h> /*errno marks*/
#include <linux/types.h> /*dev_t MAJOR、MINOR*/
#include <linux/cdev.h>  /*strcut cdev*/
#include <linux/stat.h>  /*S_IRUGO*/
#include <linux/moduleparam.h> /*module_param*/
#include <asm/uaccess.h> /*copy_to_user()、copy_from_user()*/

#define MEMDEV_MAJOR		251  /*主设备号*/
#define MEMDEV_NR_DEVS		4    /*设备个数*/
#define MEMDEV_SIZE		4096 /*每个设备占用内存大小*/

struct mem_dev
{
char 				*data;//定义存放每个设备首地址的指针
unsigned long 		size; //定义每个设备结构体的长度
struct cdev			cdev; //定义cdev结构
struct semaphore 		sem;  //定义信号量
};
struct mem_dev		*mem_devp;

static int mem_major = MEMDEV_MAJOR;
static int mem_minor = 0;

module_param(mem_major, int, S_IRUGO);/*命令行传参*/
module_param(mem_minor, int, S_IRUGO);/*命令行传参*/

int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct mem_dev *dev;

/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);//inode中的i_rdev存储设备号

if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)     //此设备号是否有效
return -ENODEV;
dev = &mem_devp[num];          //这里是将用户空间内存给文件私有指针

/*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = dev;      //驱动程序不能直接操作用户空间，可以透过私有指针存储用户空间数据

return 0;
}

int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}

static ssize_t mem_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 mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/* 获取信号量 */
if(down_interruptible(&dev->sem))//如果获取不到，则进入睡眠状态，睡眠状态可被中断打断
return -ERESTARTSYS;
/*判断读位置是否有效*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;

/*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))
{
ret =  - EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;

printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, (int)p);
}
up(&dev->sem);//释放信号量
return ret;
}

/*写函数*/
static ssize_t mem_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 mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/* 获取信号量 */
if(down_interruptible(&dev->sem))//如果获取不到，则进入睡眠状态，睡眠状态可被中断打断
return -ERESTARTSYS;
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;

/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
ret =  - EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;

printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, (int)p);
}
up(&dev->sem);//释放信号量
return ret;
}

/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
loff_t newpos;

switch(whence) {
case 0: /* SEEK_SET */
newpos = offset;
break;

case 1: /* SEEK_CUR */
newpos = filp->f_pos + offset;
break;

case 2: /* SEEK_END */
newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;
break;

default: /* can't happen */
return -EINVAL;
}
if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))
return -EINVAL;

filp->f_pos = newpos;
return newpos;

}
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
};
static void memdev_setup_cdev(struct mem_dev *dev,int index)
{
int err,devno;
devno = MKDEV(mem_major,mem_minor+index);
cdev_init(&dev->cdev,&mem_fops);
dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
dev->cdev.ops = &mem_fops;
err = cdev_add(&dev->cdev,devno,MEMDEV_NR_DEVS);
if(err){
printk(KERN_NOTICE  "Error %d adding mem %d",err,index);
}
}
static int __init memdev_init(void)
{
int result; /*将注册设备号函数返回值付给此变量*/
int i;
dev_t devno;

if(mem_major){/*静态分配设备号*/
devno  = MKDEV(mem_major, mem_minor);
result = register_chrdev_region(devno,MEMDEV_NR_DEVS,"memdev");
}
else{
result = alloc_chrdev_region(&devno, mem_minor, MEMDEV_NR_DEVS, "memdev");
mem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0) { /*成功分配设备号后，返回0，否则返回负值*/
printk(KERN_WARNING "memdev: can't get major %d\n", mem_major);
return result;

}
/*为设备结构体分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
if (!mem_devp)   {   //分配内存失败
result =  - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++){//为每个设备分配内存
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;//每个设备的内存大小
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);//存放每个设备的首地址
memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
sema_init(&mem_devp[i].sem, 1); //初始化信号量，也可以用init_MUTEX(&mem_devp[i].sem)替代
}
memdev_setup_cdev(mem_devp,0);/*初始化cdev结构,并且注册字符设备*/
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, MEMDEV_NR_DEVS);
return result;
}

static void __exit memdev_exit(void)
{
cdev_del(&mem_devp->cdev);   /*注销设备*/
kfree(mem_devp);     /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, mem_minor), MEMDEV_NR_DEVS); /*释放设备号*/
}
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);

MODULE_AUTHOR("WIOT");
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("just for studing,no any values!");

上述代码是操作的4个字符设备，这四个字符设备中，主设备号决定驱动程序，次设备号决定操作的字符设备。

制作Makefile文件：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m := memdev.o /dev/memdev0 c

else

KDIR := /arm/Friendly_Linux/linux-2.6.32.2

all:

make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-

clean:

rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers  modul*

endif

执行make命令，生成memdev.ko的驱动，拷贝到mini2440中，用insmod加载后，然后创建设备文件：

mknod /dev/memdev0 c 251 0

mknod /dev/memdev1 c 251 1

mknod /dev/memdev2 c 251 2

mknod /dev/memdev3 c 251 3

可以生成4个设备，然后用应用程序验证。

#include <stdio.h>

int main()

{

FILE *fp0 = NULL;

char Buf[4096];

/*初始化Buf*/

strcpy(Buf,"Mem is char dev!");

printf("BUF: %s\n",Buf);

/*打开设备文件*/

fp0 = fopen("/dev/memdev1","r+");

if (fp0 == NULL)

{

printf("Open Memdev1 Error!\n");

return -1;

}

/*写入设备*/

fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);

/*重新定位文件位置（思考没有该指令，会有何后果)*/

fseek(fp0,0,SEEK_SET);

/*清除Buf*/

strcpy(Buf,"Buf is NULL!");

printf("BUF: %s\n",Buf);

/*读出设备*/

fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);

/*检测结果*/

printf("BUF: %s\n",Buf);

return 0;

}

就可以得到想要的结果了。