linux 驱动编写之虚拟字符设备的编写实例详解

 linux 驱动编写

前言：

昨天我们说了一些简单模块编写方法，但是终归没有涉及到设备的编写内容，今天我们就可以了解一下相关方面的内容，并且用一个实例来说明在Linux上面设备是如何编写的。虽然我不是专门做linux驱动的，却也经常收到一些朋友们的来信。在信件中，很多做驱动的朋友对自己的工作不是很满意，认为自己的工作就是把代码拷贝来拷贝去，或者说是改来改去，没有什么技术含量。有这种想法的朋友不在少数，我想这主要还是因为他们对自己的工作缺少了解导致。如果有可能，我们可以问问自己这样几个问题：

（1）我真的搞懂设备的开发驱动流程了吗？我是否可以从0开始，编写一个独立的驱动代码呢？
    （2）我真的了解设备的初始化、关闭、运行的流程吗？
    （3）当前的设备驱动流程是否合理，有没有可以改进的地方？
    （4）对于内核开发中涉及的api调用，我自己是否真正了解、是否明白它们在使用上有什么区别？
    （5）如果我要驱动的设备只是在一个前后台系统中运行，在没有框架帮助的情况下，我是否有信心把它启动和运行起来？

当然，上面的内容只是我个人的想法，也不一定都正确。但是，知其然，更要知其所以然，熟悉了当前开发流程的优缺点才能真正掌握和了解驱动开发的本质。这听上去有些玄乎，其实也很简单，就是要有一种刨根问底、不断改进的精神，这样才能做好自己的工作。因为我们是在pc linux上学习驱动的，因此暂时没有真实的外接设备可以使用，但是这丝毫不影响我们学习的热情。通过定时器、进程，我们可以仿真出真实设备的各种需求，所以对于系统来说，它是无所谓真设备、假设备的，基本的处理流程对它来说都是一样的。只要大家一步一步做下去，肯定可以了解linux驱动设备的开发工程的。

下面，为了说明问题，我们可以编写一段简单的char设备驱动代码，文件名为char.c，

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h> 

static struct cdev chr_dev;
static dev_t ndev; 

static int chr_open(struct inode* nd, struct file* filp)
{
  int major ;
  int minor; 

  major = MAJOR(nd->i_rdev);
  minor = MINOR(nd->i_rdev); 

  printk("chr_open, major = %d, minor = %d\n", major, minor);
  return 0;
} 

static ssize_t chr_read(struct file* filp, char __user* u, size_t sz, loff_t* off)
{
  printk("chr_read process!\n");
  return 0;
} 

struct file_operations chr_ops = {
  .owner = THIS_MODULE,
  .open = chr_open,
  .read = chr_read
}; 

static int demo_init(void)
{
  int ret; 

  cdev_init(&chr_dev, &chr_ops);
  ret = alloc_chrdev_region(&ndev, 0, 1, "chr_dev");
  if(ret < 0 )
  {
    return ret;
  } 

  printk("demo_init(): major = %d, minor = %d\n", MAJOR(ndev), MINOR(ndev));
  ret = cdev_add(&chr_dev, ndev, 1);
  if(ret < 0)
  {
    return ret;
  } 

  return 0;
} 

static void demo_exit(void)
{
  printk("demo_exit process!\n");
  cdev_del(&chr_dev);
  unregister_chrdev_region(ndev, 1);
} 

module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit); 

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("feixiaoxing@163.com");
MODULE_DESCRIPTION("A simple device example!");

在module_init中的函数是模块加载时处理的函数，而模块卸载的函数则是在module_exit中。每一个设备都要对应一个基本的设备数据，当然为了使得这个设备注册在整个系统当中，我们还需要分配一个设备节点，alloc_chrdev_region就完成这样一个功能。等到cdev_add的时候，整个设备注册的过程就全部完成了，就是这么简单。当然为了编写这个文件，我们还需要编写一个Makefile文件，

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m := char.o 

else
PWD := $(shell pwd)
KVER := $(shell uname -r)
KDIR := /lib/modules/$(KVER)/build
all:
  $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
  rm -rf .*.cmd *.o *.mod.c *.ko .tmp_versions modules.* Module.*
endif

这个Makefile文件和我们之前编写的makefile基本上没有区别，唯一的区别就是文件名称改成了char.o，仅此而已。为了编写模块，我们直接输入make即可。这时候，char.ko文件就可以生成了。然后，模块需要被注册在系统当中，insmod char.ko是少不了的。如果此时，我们还不确信是否模块已经加入到系统当中，完全可以通过输入lsmod | grep char进行查找和验证。为了创建设备节点，我们需要知道设备为我们创建的major、minor数值是多少，所以dmesg | tail 查找一下数值。在我hp的机器上，这两个数值分别是249和0，所以下面可以利用它们直接创建设备节点了，输入mknod /dev/chr_dev c 249 0即可，此时可以输入ls /dev/chr_dev验证一下。那么，按照这种方法，真的可以访问这个虚拟设备了吗，我们可以编写一段简单的代码验证一下，

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h> 

#define CHAR_DEV_NAME "/dev/chr_dev" 

int main()
{
  int ret;
  int fd;
  char buf[32]; 

  fd = open(CHAR_DEV_NAME, O_RDONLY | O_NDELAY);
  if(fd < 0)
  {
    printf("open failed!\n");
    return -1;
  } 

  read(fd, buf, 32);
  close(fd); 

  return 0;
}

代码的内容非常简单，就是利用CHAR_DEV_NAME直接打开设备，读写设备。当然。首先还是需要对这个文件进行编译，文件名为test.c，输入gcc test.c -o test，其次就是运行这个文件，直接输入./test即可。如果没有问题的话，那么说明我们的代码是ok的，但是我们还是没有看到任何内容。没关系，我们还是通过dmesg这个命令查看内核中是否存在相关的打印内容，直接输入dmesg | tail即可。此时如果没有意外的话，我们就可以看到之前在chr_open和chr_read中留下的printk打印，这说明我们的代码完全是ok的。

上面的代码只是一段小例子，真实的内容要比这复杂一下。不过既然我们都已经入门了，那么后面的内容其实也没有什么好怕的了。最后有两个事情补充一下：（1）如果大家在创建节点后想删除设备节点，直接rm -rf /dev/chr_dev即可；（2）上面这段代码的原型来自于《深入linux设备驱动程序内核机制》这本书，稍作修改，如果大家对内核机制的内容感兴趣，可以参考这本书的内容。

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