Linux系统下的字符设备驱动程序编程

大飞角

实验项目名称：

设备驱动： Linux系统下的字符设备驱动程序编程
一、实验目的

通过一个简单的设备驱动的实现过程。学会Linux中设备驱动程序的编写。
深入理解内核驱动模块编写和编译过程。
二、实验内容

1、编写一个字符设备驱动程序，并在设备的打开操作中打印主次设备号；
2、编写一个用户测试程序，实现设备的读操作。
三、实验涉及的系统调用函数以及内核函数

1、分配设备号函数register_chrdev( ),用于指定设备号的情况。函数原型为:

int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,struct file_operations *fops);
major：主设备号（已知）
name：设备名
fops：设备操作方法

动态申请设备号函数alloc_chrdev_region，函数原型：
int alloc_chrdev_region(dev_t *from,unsigned int firstminor,unsigned int count,char *name)

from：调用该函数后自动分配得到的设备号
firstminor：第一个次设备号 (一般为0)
count：要分配的设备数
name：设备名
该函数会调用_register_chrdev_region这个函数

2、从系统注销字符设备函数unregsiter_chrdev,函数原型为：
int unregister_chrdev(unsigned int major, const char *)
major：主设备号
name：设备名
unregister_chrdev_region是unregsiter_chrdev的升级版，2.6以上内核使用
void unregister_chrdev_region(dev_t dev, unsigned int count);
dev为设备号，和注册时候的要一致
count为申请的次设备个数。

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3、分配设备空间函数cdev_alloc，函数原型：
struct cdev *cdev_alloc(void)
主要针对需要空间申请的操作

4、对设备空间进行初始化和赋值操作函数cdev_init，函数原型：
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
cdev：函数cdev_alloc分配的设备空间结构体指针
fops：对设备的操作

5、把设备添加进系统函数cdev_add，使用cdev_add注册字符设备前应该先调用register_chrdev_region或alloc_chrdev_region分配设备号。函数原型：
int cdev_add(struct cdev* dev,dev_t num,unsigned int count)
dev：字符设备结构体
num：设备号
count：添加的设备号的数量，具体的就是minor的数量

6、删除设备cdev_del，函数原型：
void cdev_del(struct cdev *dev)
dev：字符设备结构体
四、实验原理与重点

字符设备是指只能一个字节一个字节读写的设备，不能随机读取设备内存中的某一数据，读取数据需要按照先后顺序。字符设备是面向流的设备，常见的字符设备有鼠标、键盘、串口、控制台和LED设备等。每一个字符设备都在/dev目录下对应一个设备文件。linux用户程序通过设备文件（或称设备节点）来使用驱动程序操作字符设备。一个字符设备都有一个主设备号和一个次设备号。主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序，用来反映设备类型。次设备号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备，用来区分同类型的设备。
1、描述字符设备的数据结构

在Linux 2.6内核中的字符设备用cdev结构来描述，其定义如下：
struct cdev
{
struct kobject kobj; //类似对象类，驱动模块的基础对象
struct module *owner; //所属内核模块，一般为THIS_MODULE
const struct file_operations *ops; //文件操作结构
struct list_head list;
dev_t dev; //设备号，int 类型，高12位为主设备号，低20位为次设备号
unsigned int count;
};2、字符设备驱动模块的编写

实现一个基本的字符驱动设备需要以下几个部分：字符设备驱动模块的加载、卸载函数和file_operations结构中的成员函数。具体步骤如下：
（1）分配和释放设备号
在设备驱动程序中，注册设备前首先要向系统申请设备号，
分配设备号有静态和动态的两种方法：

• 静态分配(register_chrdev_region()函数)
  
• 动态分配（alloc_chrdev_region()）
  

通过 unregister_chrdev_region()函数释放已分配的（无论是静态的还是动态的）设备号。
（2）定义并初始化一个struct file_operations结构，并实现其中的操作函数
static struct file_operations cdrv_fops = {
.owner=THIS_MODULE, /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */
.open=cdrv_open,
.read=cdrv_read,
.write=cdrv_write,
};
static int cdrv_open(struct inode *inode, struct file *filp)
static ssize_t cdrv_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
static ssize_t cdrv_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)（3）字符设备的注册
（4）删除字符设备
（5）注销设备号
（6）模块声明 MODULE_LICENSE(“GPL”);
（7）加载模块 module_init(cdrv_init);
（8）卸载模块module_exit(cdrv_exit);
3、编译模块Makefile文件
4、利用mknod命令在/dev目录下为字符设备生成对应的节点
五、原始数据、结果与分析

device_driver.c
#include<linux/kernel.h>
#include<linux/module.h>
#include<linux/fs.h>
#include<linux/uaccess.h>
#include<linux/init.h>
#include<linux/cdev.h>

#define DEMO_NAME "my_demo_dev"

static dev_t dev;
static struct cdev* demo_cdev;
static signed count=1;

static int demodrv_open(struct inode* inode, struct file* file)
{
     int major=MAJOR(inode->i_rdev);
     int minor=MINOR(inode->i_rdev);
     printk("%s: major=%d, minor=%d\n",__func__, major, minor);
     return 0;
}

static ssize_t demodrv_read(struct file* file, char __user* buf, size_t lbuf,loff_t* ppos)
{
     printk("%s enter\n",__func__);
return 0;
}

static ssize_t demodrv_write(struct file* file, const char __user* buf, size_t count, loff_t* f_pos)
{
     printk("%s enter\n",__func__);
return 0;
}

static const struct file_operations demodrv_fops={
     .owner=THIS_MODULE,
     .open=demodrv_open,
     .read=demodrv_read,
     .write= demodrv_write,
};

static int __init simple_char_init(void)
{
     int ret;
     ret=alloc_chrdev_region(&dev,0,count,DEMO_NAME);
     if(ret)
     {
         printk("failed to allocate char device region\n");
         return ret;
     }
     demo_cdev=cdev_alloc();
     if(!demo_cdev)
     {
         printk("cedv_alloc_failed\n");
         goto unregister_chrdev;
     }
     cdev_init(demo_cdev, &demodrv_fops);
     ret=cdev_add(demo_cdev, dev, count);
     if(ret)
     {
          printk("cdev_add failed\n");
          goto cdev_fail;
     }
     printk("successed register char device: %s\n", DEMO_NAME);
     printk("Major number=%d, Minor number=%d\n", MAJOR(dev), MINOR(dev));
     return 0;
cdev_fail:
        cdev_del(demo_cdev);
unregister_chrdev:
        unregister_chrdev_region(dev, count);
        return ret;
}

static void __exit simple_char_exit(void)
{
     printk("removing device\n");
     if(demo_cdev){
        cdev_del(demo_cdev);
     }
     unregister_chrdev_region(dev, count);
}

MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(simple_char_init);
module_exit(simple_char_exit);Makefile
obj-m:= device_driver.o
CURRENT_PATH:= $(shell pwd)
LINUX_KERNEL:= $(shell uname -r)
LINUX_KERNEL_PATH:=/usr/src/linux-headers-$(LINUX_KERNEL)

all:
        make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
        make -C $(LINUX_KERNEL_PATH) M=$(CURRENT_PATH) clean用户测试程序test.c
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
#include<stdio.h>

#define DEMO_DEV_NAME "/dev/demo_drv"
int main()
{
     char buffer[64];
     int fd;
     fd=open(DEMO_DEV_NAME, O_RDONLY);
     if(fd<0)
     {
         printf("open device %s failed\n", DEMO_DEV_NAME);
         return -1;
     }
     read(fd,buffer,64);
     close(fd);
     return 0;
}make编译


装载并查看系统信息


打印出主设备号


在/dev目录下生成对应的结点


查看/dev目录情况


用户测试程序


实现设备的读操作


原文链接：https://blog.csdn.net/weixin_44636558/article/details/106448800