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LINUX字符设备驱动程序实例(scull)

2013-12-07 11:08 375 查看

转自：http://blog.chinaunix.net/uid-11829250-id-337300.html

【1.系统环境】

该驱动程序在UBUNTU10.04LTS编译通过，系统内核为linux-2.6.32-24(可使用uname -r 命令来查看当前内核的版本号)

由于安装UBUNTU10.04LTS时，没有安装LINUX内核源码，因此需要在www.kernel.org下载LINUX源码，下载linux-2.6.32.22.tar.bz2(与系统运行的LINUX内核版本尽量保持一致)，使用如下命令安装内核：

1.解压内核

cd /us/src

tar jxvf linux-2.6.32.22.tar.bz2

2.为系统的include创建链接文件

cd /usr/include

rm -rf asm linux scsi

ln -s /usr/src/linux-2.6.32.22/include/asm-generic asm

ln -s /usr/src/linux-2.6.32.22/include/linux linux

ln -s /usr/src/linux-2.6.32.22/include/scsi scsi

LINUX内核源码安装完毕
【2.驱动程序代码】

/******************************************************************************

*Name: memdev.c

*Desc: 字符设备驱动程序的框架结构，该字符设备并不是一个真实的物理设备，

* 而是使用内存来模拟一个字符设备

*Parameter:

*Return:

*Author: yoyoba(stuyou@126.com)

*Date: 2010-9-26

*Modify: 2010-9-26

********************************************************************************/

#include
<linux/module.h>

#include
<linux/types.h>

#include
<linux/fs.h>

#include
<linux/errno.h>

#include
<linux/mm.h>

#include
<linux/sched.h>

#include
<linux/init.h>

#include
<linux/cdev.h>

#include
<asm/io.h>

#include
<asm/system.h>

#include
<asm/uaccess.h>

#include
"memdev.h"

static mem_major = MEMDEV_MAJOR;

module_param(mem_major,
int, S_IRUGO);

struct mem_dev *mem_devp;
/*设备结构体指针*/

struct cdev cdev;

/*文件打开函数*/

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);

if (num
>= MEMDEV_NR_DEVS)

return
-ENODEV;

dev = &mem_devp[num];

/*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/

filp->private_data
= dev;

return 0;

}

/*文件释放函数*/

int mem_release(struct inode
*inode,
struct file
*filp)

{

return 0;

}

/*读函数*/

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*/

/*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, p);

}

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*/

/*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, p);

}

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;

}

/*文件操作结构体*/

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,

};

/*设备驱动模块加载函数*/

static int memdev_init(void)

{

int result;

int i;

dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);

/* 静态申请设备号*/

if (mem_major)

result = register_chrdev_region(devno, 2,
"memdev");

else /* 动态分配设备号 */

{

result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2,
"memdev");

mem_major = MAJOR(devno);

}

if (result
< 0)

return result;

/*初始化cdev结构*/

cdev_init(&cdev,
&mem_fops);

cdev.owner = THIS_MODULE;

cdev.ops =
&mem_fops;

/* 注册字符设备 */

cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0),
MEMDEV_NR_DEVS);

/* 为设备描述结构分配内存*/

mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS
* sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);

if (!mem_devp)
/*申请失败*/

{

result = - ENOMEM;

goto fail_malloc;

}

memset(mem_devp, 0,
sizeof(struct mem_dev));

/*为设备分配内存*/

for (i=0; i
< MEMDEV_NR_DEVS; i++)

{

mem_devp[i].size
= MEMDEV_SIZE;

mem_devp[i].data
= kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);

memset(mem_devp[i].data, 0,
MEMDEV_SIZE);

}

return 0;

fail_malloc:

unregister_chrdev_region(devno, 1);

return result;

}

/*模块卸载函数*/

static void memdev_exit(void)

{

cdev_del(&cdev);
/*注销设备*/

kfree(mem_devp);
/*释放设备结构体内存*/

unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2);
/*释放设备号*/

}

MODULE_AUTHOR("David Xie");

MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(memdev_init);

module_exit(memdev_exit);

/************************

*memdev.h

************************/

#ifndef _MEMDEV_H_

#define _MEMDEV_H_

#ifndef MEMDEV_MAJOR

#define MEMDEV_MAJOR 260
/*预设的mem的主设备号*/

#endif

#ifndef MEMDEV_NR_DEVS

#define MEMDEV_NR_DEVS 2
/*设备数*/

#endif

#ifndef MEMDEV_SIZE

#define MEMDEV_SIZE 4096

#endif

/*mem设备描述结构体*/

struct mem_dev

{

char *data;

unsigned long size;

};

#endif
/* _MEMDEV_H_ */

【3.编译驱动程序模块】

Makefile文件的内容如下：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m:=memdev.o

else

KERNELDIR:=/lib/modules/$(shell uname -r)/build

PWD:=$(shell pwd)

default:

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules

clean:

rm -rf *.o *.mod.c *.mod.o *.ko

endif

切换到root下，执行make时，如果UBUNTU是使用虚拟机安装的，那么执行make时，不要在ubuntu和windows的共享目录下，否则会出错。

root@VMUBUNTU:~# make

make -C /lib/modules/2.6.32-24-generic/build M=/root modules

make[1]: Entering directory `/usr/src/linux-headers-2.6.32-24-generic'

CC [M] /root/memdev.o

/root/memdev.c:15: warning: type defaults to ‘int’ in declaration of ‘mem_major’

/root/memdev.c: In function ‘mem_read’:

/root/memdev.c:71: warning: format ‘%d’ expects type ‘int’, but argument 3 has type ‘long unsigned int’

/root/memdev.c: In function ‘mem_write’:

/root/memdev.c:99: warning: format ‘%d’ expects type ‘int’, but argument 3 has type ‘long unsigned int’

Building modules, stage 2.

MODPOST 1 modules

CC /root/memdev.mod.o

LD [M] /root/memdev.ko

make[1]: Leaving directory `/usr/src/linux-headers-2.6.32-24-generic'

ls查看当前目录的内容

root@VMUBUNTU:~# ls

Makefile memdev.h memdev.mod.c memdev.o Module.symvers

memdev.c memdev.ko memdev.mod.o modules.order

这里的memdev.ko就是生成的驱动程序模块。

通过insmod命令把该模块插入到内核

root@VMUBUNTU:~# insmod memdev.ko

查看插入的memdev.ko驱动

root@VMUBUNTU:~# cat /proc/devices

Character devices:

1 mem

4 /dev/vc/0

4 tty

4 ttyS

5 /dev/tty

5 /dev/console

5 /dev/ptmx

260 memdev

6 lp

7 vcs

10 misc

13 input

14 sound

21 sg

29 fb

99 ppdev

108 ppp

116 alsa

128 ptm

136 pts

180 usb

189 usb_device

226 drm

251 hidraw

252 usbmon

253 bsg

254 rtc

Block devices:

1 ramdisk

259 blkext

7 loop

8 sd

9 md

11 sr

65 sd

66 sd

67 sd

68 sd

69 sd

70 sd

71 sd

128 sd

129 sd

130 sd

131 sd

132 sd

133 sd

134 sd

135 sd

252 device-mapper

253 pktcdvd

254 mdp

可以看到memdev驱动程序被正确的插入到内核当中，主设备号为260，该设备号为memdev.h中定义的#define MEMDEV_MAJOR 260。

如果这里定义的主设备号与系统正在使用的主设备号冲突，比如主设备号定义如下：#define MEMDEV_MAJOR 254，那么在执行insmod命令时，就会出现如下的错误：

root@VMUBUNTU:~# insmod memdev.ko

insmod: error inserting 'memdev.ko': -1 Device or resource busy

查看当前设备使用的主设备号

root@VMUBUNTU:~# cat /proc/devices

Character devices:

1 mem

4 /dev/vc/0

4 tty

4 ttyS

5 /dev/tty

5 /dev/console

5 /dev/ptmx

6 lp

7 vcs

10 misc

13 input

14 sound

21 sg

29 fb

99 ppdev

108 ppp

116 alsa

128 ptm

136 pts

180 usb

189 usb_device

226 drm

251 hidraw

252 usbmon

253 bsg

254 rtc

Block devices:

1 ramdisk

259 blkext

7 loop

8 sd

9 md

11 sr

65 sd

66 sd

67 sd

68 sd

69 sd

70 sd

71 sd

128 sd

129 sd

130 sd

131 sd

132 sd

133 sd

134 sd

135 sd

252 device-mapper

253 pktcdvd

254 mdp

发现字符设备的254主设备号为rtc所使用，因此会出现上述错误，解决方法只需要在memdev.h中修改主设备号的定义即可。
【4.编写应用程序，测试该驱动程序】

首先应该在/dev/目录下创建与该驱动程序相对应的文件节点，使用如下命令创建：

root@VMUBUNTU:/dev# mknod memdev c 260 0

使用ls查看创建好的驱动程序节点文件

root@VMUBUNTU:/dev# ls -al memdev

crw-r--r-- 1 root root 260, 0 2010-09-26 17:28 memdev

编写如下应用程序，来对驱动程序进行测试。

/******************************************************************************

*Name: memdevapp.c

*Desc: memdev字符设备驱动程序的测试程序。先往memedev设备写入内容，然后再

* 从该设备中把内容读出来。

*Parameter:

*Return:

*Author: yoyoba(stuyou@126.com)

*Date: 2010-9-26

*Modify: 2010-9-26

********************************************************************************/

#include
<stdio.h>

#include
<stdlib.h>

#include
<time.h>

#include
<unistd.h>

#include
<linux/i2c.h>

#include
<linux/fcntl.h>

int main()

{

int fd;

char buf[]="this is a example for character devices driver by yoyoba!";//写入memdev设备的内容

char buf_read[4096];
//memdev设备的内容读入到该buf中

if((fd=open("/dev/memdev",O_RDWR))==-1)
//打开memdev设备

printf("open memdev WRONG！\n");

else

printf("open memdev SUCCESS!\n");

printf("buf is %s\n",buf);

write(fd,buf,sizeof(buf));
//把buf中的内容写入memdev设备

lseek(fd,0,SEEK_SET);
//把文件指针重新定位到文件开始的位置

read(fd,buf_read,sizeof(buf));
//把memdev设备中的内容读入到buf_read中

printf("buf_read is %s\n",buf_read);

return 0;

}

编译并执行该程序

root@VMUBUNTU:/mnt/xlshare# gcc -o mem memdevapp.c

root@VMUBUNTU:/mnt/xlshare# ./mem

open memdev SUCCESS!

buf is this is a example for character devices driver by yoyoba!

buf_read is this is a example for character devices driver by yoyoba!

表明驱动程序工作正常。。。

【5.LINUX是如何make驱动程序模块的】

Linux内核是一种单体内核，但是通过动态加载模块的方式，使它的开发非常灵活方便。那么，它是如何编译内核的呢？我们可以通过分析它的Makefile入手。以下是一个简单的hello内核模块的Makefile.

ifneq ($(KERNELRELEASE),)

obj-m:=hello.o

else

KERNELDIR:=/lib/modules/$(shell uname -r)/build

PWD:=$(shell pwd)

default:

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules

clean:

rm -rf *.o *.mod.c *.mod.o *.ko

endif

当我们写完一个hello模块，只要使用以上的makefile。然后make一下就行。假设我们把hello模块的源代码放在/home/study/prog/mod/hello/下。当我们在这个目录运行make时，make是怎么执行的呢？ LDD3第二章第四节“编译和装载”中只是简略地说到该Makefile被执行了两次，但是具体过程是如何的呢？

首先，由于make 后面没有目标，所以make会在Makefile中的第一个不是以.开头的目标作为默认的目标执行。于是default成为make的目标。make会执行 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules shell是make内部的函数,假设当前内核版本是2.6.13-study,所以$(shell uname -r)的结果是 2.6.13-study 这里，实际运行的是

make -C /lib/modules/2.6.13-study/build M=/home/study/prog/mod/hello/ modules

/lib/modules/2.6.13-study/build是一个指向内核源代码/usr/src/linux的符号链接。可见，make执行了两次。第一次执行时是读hello模块的源代码所在目录/home/s tudy/prog/mod/hello/下的Makefile。第二次执行时是执行/usr/src/linux/下的Makefile时.

但是还是有不少令人困惑的问题： 1.这个KERNELRELEASE也很令人困惑，它是什么呢？在/home/study/prog/mod/he llo/Makefile中是没有定义这个变量的，所以起作用的是else…endif这一段。不过，如果把hello模块移动到内核源代码中。例如放到/usr/src/linux/driver/中， KERNELRELEASE就有定义了。在/usr/src/linux/Makefile中有 162 KERNELRELEASE=$(VERSION).$(PATCHLEVEL).$(SUBLEVEL)$(EXTRAVERSION)$(LOCALVERSION)
这时候，hello模块也不再是单独用make编译，而是在内核中用make modules进行编译。用这种方式，该Makefile在单独编译和作为内核一部分编译时都能正常工作。

2.这个obj-m := hello.o什么时候会执行到呢？在执行：

make -C /lib/modules/2.6.13-study/build M=/home/study/prog/mod/hello/ modules

时，make 去/usr/src/linux/Makefile中寻找目标modules: 862 .PHONY: modules 863 modules: $(vmlinux-dirs) $(if $(KBUILD_BUILTIN),vmlinux) 864 @echo ' Building modules, stage 2.'; 865 $(Q)$(MAKE) -rR -f $(srctree)/scripts/Makefile.modpost

可以看出，分两个stage: 1.编译出hello.o文件。 2.生成hello.mod.o hello.ko 在这过程中，会调用 make -f scripts/Makefile.build obj=/home/study/prog/mod/hello 而在 scripts/Makefile.build会包含很多文件： 011 -include .config 012 013 include $(if $(wildcard $(obj)/Kbuild), $(obj)/Kbuild, $(obj)/Makefile)
其中就有/home/study/prog/mod/hello/Makefile 这时 KERNELRELEASE已经存在。所以执行的是： obj-m:=hello.o

关于make modules的更详细的过程可以在scripts/Makefile.modpost文件的注释中找到。如果想查看make的整个执行过程，可以运行make -n。

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