关于虚拟字符设备驱动的学习笔记globalmem

刚开始接触驱动开发，到处在学习资料，网上，电子书，实体书......，但是一直处于迷糊的状态，有点蒙了，

仔细考虑了一下，感觉实际的理论，概念确实重要，但是为了能够尽快的了解驱动，还是应该学习代码，从实际的开发中学习，了解哪些有问题，哪些需要再深入学习。

所以有了下面的字符驱动的开发，只为个人学习之用，大家有兴趣可以给我一点指点，包括代码中的问题，或者学习经验和方法等。

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1. 驱动代码

在/dev/目录下创建驱动的独立文件夹/dev/globalmem，并新建globalmem.c文件

先贴上全部代码globalmem.c文件，红色加粗字体是代码中已经修正的一些问题，在后面会详细说明。

#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 <linux/compiler.h>
#include <linux/slab.h>	/* kmalloc与kfree 是隐式声明函数，需要包含对应的头文件 */
#include <linux/semaphore.h> /* 并发控制的信号量的头文件 */
#include <asm/io.h>
#include <linux/version.h>
#if LINUX_VERSION_CODE > KERNEL_VERSION(3, 3, 0)
#include <asm/switch_to.h>
#else
#include <asm/system.h>	//在2.6.x的内核版本中，文件操作结构体中，才会有ioctl的字段，高版本中使用unlocked_ioctl，
#endif
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/completion.h>

#define GLOBALMEM_SIZE 0x1000
/*全局内存最大 4KB*/
#define MEM_CLEAR 0x1 /*清零全局内存*/
#define GLOBALMEM_MAJOR 0 /*1 预设的 globalmem 的主设备号,可能会出现预设的设备号 冲突的情况 */
/*2 设备号设定为0，globalmem_init代码中会动态分配设备号 */

static int globalmem_major = GLOBALMEM_MAJOR;

/* 一组函数用于操作 cdev 结构体 */
// void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *); // cdev_init()函数用于初始化 cdev 的成员,并建立 cdev 和 file_operations 之间的连接
// struct cdev *cdev_alloc(void); // cdev_alloc()函数用于动态申请一个 cdev 内存
// void cdev_put(struct cdev *p);
// int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned); // cdev_add()函数和 cdev_del()函数分别向系统添加和删除一个 cdev,完成字符设备的注册和注销。
// void cdev_del(struct cdev *); //对 cdev_add()的调用通常发生在字符设备驱动模块加载函数中,而对
//cdev_del()函数的调用则通常发生在字符设备驱动模块卸载函数中

/*globalmem 设备结构体*/
struct globalmem_dev
{
struct cdev cdev; /*cdev 结构体*/
unsigned char mem[GLOBALMEM_SIZE]; /*全局内存*/
struct semaphore sem; /* 并发控制用的信号量 -> 由于该驱动设备中包含了copy_from_user()、copy_to_user()这些可能导致阻塞的函数，所以不能选用自旋锁，而选择信号量 */
struct completion my_completion;
};

struct globalmem_dev *globalmem_devp; /*设备结构体指针*/

/*文件打开函数*/
int globalmem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%s*********Start*******%d \n", __FUNCTION__, __LINE__);

/*将设备结构体指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = globalmem_devp;
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int globalmem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%s*********Start*******%d \n", __FUNCTION__, __LINE__);

return 0;
}

/* ioctl 设备控制函数 */
static int globalmem_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%s*********Start*******%d", __FUNCTION__, __LINE__);

struct globalmem_dev *dev = filp->private_data;/*获得设备结构体指针*/

switch (cmd)
{
case MEM_CLEAR:

if (down_interruptible(&dev->sem)) //获得信号量，进程处于sleep状态，但是还可以响应中断
{
return - ERESTARTSYS;
}
memset(dev->mem, 0, GLOBALMEM_SIZE);

//内存空间清除完成后，释放信号量
up(&dev->sem); //释放信号量

printk(KERN_EMERG "globalmem is set to zero\n");
break;

default:

//debug
printk(KERN_EMERG "%d*********Start*******%d", cmd, __LINE__);
return - EINVAL;
}

return 0;
}

/*读函数*/
static ssize_t globalmem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%s*********Start*******%d \n", __FUNCTION__, __LINE__);

unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct globalmem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/

//debug
printk(KERN_EMERG "*********%s*********111*******%d*********\n", __FUNCTION__, __LINE__);

/*分析和获取有效的写长度*/
if (p > GLOBALMEM_SIZE)
return count ? - ENXIO: 0;
if (count > GLOBALMEM_SIZE - p)
count = GLOBALMEM_SIZE - p;
//debug
printk(KERN_EMERG "*********%s*********111*******%d*********\n", __FUNCTION__, __LINE__);

wait_for_completion(&dev->my_completion);

//debug
printk(KERN_EMERG "*********%s*********111*******%d*********\n", __FUNCTION__, __LINE__);

if (down_interruptible(&dev->sem)) //获得信号量，进程处于sleep状态，但是还可以响应中断
{
return - ERESTARTSYS;
}

/*内核空间→用户空间*/
if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->mem + p), count))
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%d*********222*******%ld----char = %c \n", count, p, *(dev->mem));
ret = - EFAULT;
}
else
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%d*********333*******%ld----char = %c \n", count, (unsigned long)*ppos, *(dev->mem + p));
*ppos -= count;
ret = count;
printk(KERN_EMERG "read %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}

//    mdelay(5000);

//读取数据全部完成后，释放信号量
up(&dev->sem); //释放信号量

return ret;
}

/*写函数*/
static ssize_t globalmem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%s*********Start*******%d \n", __FUNCTION__, __LINE__);

unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct globalmem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/

//debug
printk(KERN_EMERG "%d*********111*******%ld \n", count, p);

/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= GLOBALMEM_SIZE)
return count ? - ENXIO: 0;
if (count > GLOBALMEM_SIZE - p)
count = GLOBALMEM_SIZE - p;

//debug
printk(KERN_EMERG "*********%s*********111*******%d*********\n", __FUNCTION__, __LINE__);

if (down_interruptible(&dev->sem)) //获得信号量，进程处于sleep状态，但是还可以响应中断
{
//debug
printk(KERN_EMERG "*********%s*********111*******%d*********\n", __FUNCTION__, __LINE__);
return - ERESTARTSYS;
}

/*用户空间→内核空间*/
if (copy_from_user(dev->mem + p, buf, count))
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%d*********333*******%ld----char = %c \n", count, p , *(dev->mem + p));
ret = - EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;
//debug
printk(KERN_EMERG "%d*********444*******%ld----char = %c \n", count, *ppos, *(dev->mem + p));

printk(KERN_EMERG "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}

//   mdelay(5000);

//写入数据全部完成后，释放信号量
up(&dev->sem); //释放信号量

//debug
printk(KERN_EMERG "*********%s*********111*******%d*********\n", __FUNCTION__, __LINE__);

complete(&dev->my_completion);

return ret;
}

/* seek 文件定位函数 */
static loff_t globalmem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int orig)
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%s*********Start*******%d \n", __FUNCTION__, __LINE__);

loff_t ret = 0;
switch (orig)
{

case 0:
/*相对文件开始位置偏移*/
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:
/*相对文件当前位置偏移*/
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;
}

/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations globalmem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = globalmem_llseek,
.read = globalmem_read,
.write = globalmem_write,
.unlocked_ioctl = globalmem_ioctl,	/* 在2.6.x的内核版本中，文件操作结构体中，才会有ioctl的字段，高版本中使用unlocked_ioctl */
.open = globalmem_open,
.release = globalmem_release,
};

/*初始化并注册 cdev*/
static void globalmem_setup_cdev(struct globalmem_dev *dev, int index)
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%s*********Start*******%d \n", __FUNCTION__, __LINE__);

int err, devno = MKDEV(globalmem_major, index);

cdev_init(&dev->cdev, &globalmem_fops);
dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
dev->cdev.ops = &globalmem_fops;
err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
if (err)
printk(KERN_NOTICE "Error %d adding LED%d", err, index);

}

/*设备驱动模块加载函数*/
int globalmem_init(void)
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%s*********Start*******%d \n", __FUNCTION__, __LINE__);

int result;
dev_t devno = MKDEV(globalmem_major, 0);

/* 申请设备号*/
if (globalmem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 1, "globalmem");

else /* 动态申请设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "globalmem");
globalmem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0)
return result;

/* 动态申请设备结构体的内存*/
globalmem_devp = kmalloc(sizeof(struct globalmem_dev), GFP_KERNEL);

if (!globalmem_devp)
/*申请失败*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(globalmem_devp, 0, sizeof(struct globalmem_dev));
globalmem_setup_cdev(globalmem_devp, 0);

sema_init(&globalmem_devp->sem, 1); /* 初始化信号量 */

init_completion(&globalmem_devp->my_completion);

return 0;

fail_malloc: unregister_chrdev_region(devno, 1);
return result;
}

/*模块卸载函数*/
void globalmem_exit(void)
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%s*********Start*******%d \n", __FUNCTION__, __LINE__);

cdev_del(&globalmem_devp->cdev); /*注销 cdev*/
kfree(globalmem_devp);
/*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(globalmem_major, 0), 1); /*释放设备号*/
}

MODULE_AUTHOR("ZhongMing");
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
module_param(globalmem_major, int, S_IRUGO);
module_init(globalmem_init);
module_exit(globalmem_exit);

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2. Makefile以及驱动挂载

生成驱动modules，自然要有Makefile，代码如下

#
# Makefile for kernel globalmem drivers
#

obj-m := globalmem.o

KERNEL_VERSION ?= $(shell uname -r)
PWD := $(shell pwd)

all:
make -C /lib/modules/$(KERNEL_VERSION)/build M=$(PWD) modules
clean:
make -C /lib/modules/$(KERNEL_VERSION)/build M=$(PWD) clean

注意：

make前应该使用tab进行对齐，否则编译时会出现编译错误

<pre name="code" class="html">shell uname -r 为了获取到当前linux内核的版本，从而获取到正确的内核头文件路径。

shell pwd 为了获取到当前globalmem驱动所在的目录

编译驱动modules时遇到的问题，如代码中红色加粗字体的注释描述，最终编译得到globalmem.ko后，

进行挂载

sudo insmod globalmem.ko

查看挂在是否成功，在所有的设备中，可以找到globalmem驱动，我的自动分配得到的编号是250(这个号有点衰啊)

cat /proc/devices

卸载驱动

sudo rmmod globalmem.ko

globalmem驱动是否可用，我还没有进行，稍后再进行驱动是否好用的验证。

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3. 验证

接着来啊，虚拟的字符设备驱动编写完成，也挂载成功了，该如何验证呢？

我在学习过程中，尝试了两种方法，

方法1：

直接在终端中输入 ehco 'hello world!' > /dev/globalmem

===>作用是向字符设备中写入数据，“hello world!”

然后，在终端中继续输入 cat /dev/globalmem

===>作用是从字符设备中读取已经写入完成的数据

方法2：

编写一个实际的应用程序来进行驱动验证，TestApp.c的代码如下:

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>

main()
{
int fd;
char num[128] = {'\0'};
int arg = 2015；

 //打开字符设备
fd = open("/dev/globalmem", O_RDWR); //可读写方式打开设备文件
if(fd != -1)
{
//读取字符设备中的初始值
read(fd, num, sizeof(num)); //读取设备变量
printf("The globalmem is %s\n", num);

//文件指针复位
lseek(fd, 0, SEEK_SET);

//获取输入数据
printf("Please input the num written to globalmem\n");
scanf("%s", num);

//写入到字符设备中
write(fd, num, sizeof(num)); //写设备变量

//文件指针复位
lseek(fd, 0, SEEK_SET);

//从字符设备中读取出来
read(fd, num, sizeof(num)); //再次读取刚才写的值
printf("The globalmem is %s\n", num);

//文件指针复位
lseek(fd, 0, SEEK_SET);

//清空文件中的数据
 if (0 > ioctl(fd, 0x01, &arg))
        {
            printf("Call cmd MEM_CLEAR fail\n");
            perror("open globalmem");
        }

//关闭字符设备
close(fd); //关闭设备文件
} else {
//打开失败
printf("Device open failure\n");
perror("open globalmem");
}

}

由于当前在应用程序中，对字符设备进行操作，文件节点fd的地址是在不断发生变化的，每当write()一次或者read()一次，fd的地址都会发生变化，所以在每次操作后，追加了相应的lseek()处理，这样也可以对设备驱动的globalmem_llseek()接口进行验证。

接下来需要对应用程序进行编译，进行TestApp.c所在目录下，终端输入：

gcc TestApp.c -o TestApp

编译后得到TestApp的可执行程序，

最后，在终端启动测试程序，进行字符设备驱动的验证，

aaaa@aaaa:~/20150804/TestApp$ ./TestApp
The globalmem is
Please input the num written to globalmem
c
The globalmem is c

4.调试

当前，像应用程序代码一样，驱动代码也可以进行追加Log，进行问题的调试，比如驱动借口未调用，或者驱动借口获取到的数据不正确，比如向下列代码一样追加Log：

/*写函数*/
static ssize_t globalmem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%s*********Start*******%d \n", __FUNCTION__, __LINE__);

unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct globalmem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/

//debug
printk(KERN_EMERG "%d*********111*******%ld \n", count, p);

/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= GLOBALMEM_SIZE)
return count ? - ENXIO: 0;
if (count > GLOBALMEM_SIZE - p)
count = GLOBALMEM_SIZE - p;

/*用户空间→内核空间*/
if (copy_from_user(dev->mem + p, buf, count))
{
//debug
printk(KERN_EMERG "%d*********333*******%ld----char = %c \n", count, p , *(dev->mem + p));
ret = - EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;
//debug
printk(KERN_EMERG "%d*********444*******%ld----char = %c \n", count, *ppos, *(dev->mem + p));

printk(KERN_EMERG "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}

return ret;
}

然后，重新编译一下应用程序，并执行，

最后在终端输出dmesg，查看输出的Log信息，根据实际的log提示对驱动程序进行调试。