LDD學習筆記 -- Linux字符設備驅動

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字符驅動程序用于與Linux內核中的設備進行交互；
字符設備指的是像內存區(qū)域這樣的硬件組件，通常稱為偽設備；
用戶空間應用程序通常使用open read write等系統調用與這些設備通信；

虛擬文件系統 VFS

把用戶空間的系統調用連接到設備驅動的系統調用實現方法上。
內核的虛擬文件系統 virtual file system，在內核空間
設備驅動需要使用內核的API向虛擬文件系統注冊

設備號

Major numbers（指示特定的驅動） + Minor numbers（表示指定的設備文件）

設備創(chuàng)建時候在VFS注冊設備號，虛擬文件系統，將設備文件的設備號與驅動程序列表進行比較，選擇正確的驅動程序，并將用戶請求連接到對應驅動程序的文件操作方法。

kernel functions and data structures（Creation）	（Deletion）	kernel header file
`alloc_chrdev_region()`	`unregister_chrdev_region()`	`include/linux/fs.h`
`cdev_init()` `cdev_add()`	`cdev_del()`	`include/linux/cdev.h`
`device_creat()` `class_creat()`	`device_destory()` `class_destory`	`include/linux/device.h`
`copy_to_user()` `copy_from_user()`		`include/linux/uaccess.h`
`VFS structure definitions`		`include/linux/cdev.h`

動態(tài)申請設備號

alloc_chrdev_region() 可以動態(tài)申請主設備號，保證唯一性，傳輸設備號（dev_t [u32]）地址和次設備號起始（一般0）和個數。

dev_t device_number;  //32bit
int minor_no = MINOR(device_number);  //后20bit  `kdev_t.h`
int major_no = MAJOR(device_number);  //前12bit

MKDEV(int major, int minor);

動態(tài)創(chuàng)建設備文件

當收到uevent，udev根據uevent內存儲的細節(jié)在dev目錄下創(chuàng)建設備文件。

class_create ：在sysf中創(chuàng)建一個目錄/sys/Class/<your_class_name>
device_create：在上面目錄下使用設備名創(chuàng)建一個子目錄/sys/Class/<your_class_name>/<your_device_name> /dev 這里的dev文件存儲設備名主副設備號等
udev：用戶空間的應用，動態(tài)創(chuàng)建設備文件/sys/Class/<your_class_name>/<your_device_name> /dev --> dev/your_device_name

內核空間和用戶空間的數據交換

用戶空間的指針不是完全可信的，用戶地址空間有時可能無效，虛擬內存管理器可以交換出這些內存位置。
內核級代碼不能直接引用用戶級內存指針；
使用內核數據復制工具copy_to_user copy_from_user。工具會檢查用戶空間指針是否有效

系統調用方法

read

用戶級進程執(zhí)行read系統調用從文件中讀取。文件可以是普通文件，也可以是一個設備文件（處理具體設備）。

例如前面的偽字符設備，有一塊內存數組（設備內存buffer）。當用戶程序在該設備文件上發(fā)出read系統調用時，應該將數據從設備buffer傳到用戶buffer。該數據拷貝發(fā)生在內核端到用戶端。

write

將數據從用戶空間復制到內核空間，
用戶程序想把一些數據寫入設備內存buffer。

lseek

改變f_pos（struct file）變量的位置，將文件位置指針向前/向后移動。

寫一個偽字符設備驅動

動態(tài)申請設備號
創(chuàng)建cdev結構體變量和file_operiations結構體變量
使用fops初始化字符設備結構體變量
向內核VFS注冊設備
實現file operiation的方法
初始化file operiation變量
創(chuàng)建設備文件 class_create() device_create()
驅動清理函數功能實現

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <uapi/asm-generic/errno-base.h>

#define DEV_MEM_SIZE    512

/* pseudo device's memory */
char device_buffer[DEV_MEM_SIZE];

/* This hold the device number */
dev_t device_number;

/* Cdev variable */
struct cdev pcd_cdev;

loff_t pcd_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
        pr_info("%s\n", __func__);
        loff_t temp;

        switch (whence)
        {
                case SEEK_SET:
                        if ((offset > DEV_MEM_SIZE) || (offset < 0))
                                return -EINVAL;
                        filp->f_pos = offset;
                        break;
                case SEEK_CUR:
                        temp = filp->f_pos + offset;
                        if ((temp > DEV_MEM_SIZE) || (offset < 0))
                                return -EINVAL;
                        filp->f_pos = temp;
                        break;
                case SEEK_END:
                        temp = DEV_MEM_SIZE + offset;
                        if ((temp > DEV_MEM_SIZE) || (offset < 0))
                                return -EINVAL;
                        filp->f_pos = temp;
                        break;
                
                default:
                        return -EINVAL;

        }

        pr_info("New value of the file position = %lld\n", filp->f_pos);

        return filp->f_pos;
        // return 0;

}

ssize_t pcd_read(struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *f_pos)
{
        pr_info("%s :Read requested for %zu bytes\n", __func__, count);

        if((*f_pos + count) > DEV_MEM_SIZE)
                count = DEV_MEM_SIZE - *f_pos;

        if(copy_to_user(buff, &device_buffer[*f_pos], count)){
                return -EFAULT;
        }

        *f_pos += count;
        pr_info("Number of bytes successful read = %zu\n", count);
        pr_info("Update file position = %lld\n", *f_pos);

        return count;
}
ssize_t pcd_write(struct file *filp, const char __user *buff, size_t count, loff_t *f_pos)
{
        pr_info("%s :Write requested for %zu bytes, current file position = %lld\n", __func__, count, *f_pos);

        if((*f_pos + count) > DEV_MEM_SIZE)
                count = DEV_MEM_SIZE - *f_pos;

        if(!count)
                return -ENOMEM;

        if(copy_from_user(&device_buffer[*f_pos], buff, count)){
                return -EFAULT;
        }

        *f_pos += count;
        pr_info("Number of bytes successful writtens = %zu\n", count);
        pr_info("Update file position = %lld\n", *f_pos);
        return count;
}
int pcd_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
        pr_info("%s\n", __func__);
        return 0;
}
int pcd_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
        pr_info("%s\n", __func__);
        return 0;
}


/* file operations variable */
struct file_operations pcd_fops = {
        .open = pcd_open,
        .write = pcd_write,
        .read = pcd_read,
        .llseek = pcd_llseek,
        .release = pcd_release,
        .owner = THIS_MODULE
};

struct class *class_pcd;
struct device *device_pcd;

static int __init pcd_driver_init(void)
{
        pr_info("pcd_driver_init\n");
        
        /* 1. Dynamically allocate a device number */
        alloc_chrdev_region(&device_number, 0, 1, "pcd");

        pr_info("Device number <major>:<minor> = %d:%d\n", MAJOR(device_number), MINOR(device_number));

        /* 2. Initialize the cdev structure with fops */
        cdev_init(&pcd_cdev, &pcd_fops);

        /* 3. Register a device(cdev structure) with VFS */
        pcd_cdev.owner = THIS_MODULE;
        cdev_add(&pcd_cdev, device_number, 1);

        /* creat device class under /sys/class / */
        class_pcd = class_create(THIS_MODULE, "pcd_class");

        /* populate the sysfs with device information */
        device_pcd = device_create(class_pcd, NULL, device_number, NULL, "pcd");

        pr_info("Module init was successful\n");

        return 0;
}

/* This is module clean-up entry point */
static void __exit pcd_driver_exit(void)
{
        pr_info("my hello module exit\n");
        device_destroy(class_pcd, device_number);
        class_destroy(class_pcd);
        cdev_del(&pcd_cdev);
        unregister_chrdev_region(device_number, 1);
        pr_info("module unloaded\n");
}

/* registration */
module_init(pcd_driver_init);
module_exit(pcd_driver_exit);

/* This is description information about the module */
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("NAME");
MODULE_DESCRIPTION("A pseudo device driver");

在主機上測試pcd(HOST)

使用echo 命令測試向PCD寫數據
使用cat命令測試從PCD讀數據

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在目標板上測試pcd(TARGET)

需要在用戶空間寫一個應用程序（測試應用）來測試字符設備驅動程序。使用對應目標板的編譯工具鏈編譯.c文件成目標板上的可執(zhí)行文件，有沒有.exe后綴都可，自己知道就行。

arm-buildroot-linux-gnueabihf-gcc ./pcd_drv_test.c -o pcd_dev_test

將上面設備驅動編譯出的目標板的.ko文件和我們的測試應用文件都放到目標板上。


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

/*
 * ./pcd_drv_test -w hello fpn233~
 * ./pcd_drv_test -r
 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	char buf[512];
	int len;
	
	/* 1. 判斷參數 */
	if (argc < 2) 
	{
		printf("Usage: %s -w <string>\n", argv[0]);
		printf("       %s -r\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	/* 2. 打開文件 */
	fd = open("/dev/pcd", O_RDWR);
	if (fd == -1)
	{
		printf("can not open file /dev/pcd\n");
		return -1;
	}

	/* 3. 寫文件或讀文件 */
	if ((0 == strcmp(argv[1], "-w")) && (argc == 3))
	{
		len = strlen(argv[2]) + 1;
		len = len < 512 ? len : 512;
		write(fd, argv[2], len);
	}
	else
	{
		len = read(fd, buf, 512);		
		buf[1023] = '\0';
		printf("APP read : %s\n", buf);
	}
	
	close(fd);
	
	return 0;
}