嵌入式Linux开发17——字符设备驱动开发
字符设备驱动简介
前面的章节主要是进行裸机开发，也是为了对底层设备有更深刻的认识，后面做驱动开发的时候就会很流畅。从本文开始进入我们的重点内容——Linux驱动开发。首先学习字符设备的驱动开发，一些开发流程和驱动代码模板可以作为之后开发的“蓝本”。
字符设备是 Linux 驱动中最基本的一类设备驱动，字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的点灯、按键、 IIC、 SPI，LCD 等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。
在详细的学习字符设备驱动架构之前，我们先来简单的了解一下 Linux 下的应用程序是如何调用驱动程序的， Linux 应用程序对驱动程序的调用如图所示：
在 Linux 中一切皆为文件，驱动加载成功以后会在“/dev”目录下生成一个相应的文件，应用程序通过对这个名为“/dev/xxx” (xxx 是具体的驱动文件名字)的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。比如现在有个叫做/dev/led 的驱动文件，此文件是 led 灯的驱动文件。应用程序使用 open 函数来打开文件/dev/led，使用完成以后使用 close 函数关闭/dev/led 这个文件。 open和 close 就是打开和关闭 led 驱动的函数，如果要点亮或关闭 led，那么就使用 write 函数来操作，也就是向此驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是要打开 led 的控制参数。如果要获取led 灯的状态，就用 read 函数从驱动中读取相应的状态。
应用程序运行在用户空间，而 Linux 驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。当我们在用户空间想要实现对内核的操作，比如使用 open 函数打开/dev/led 这个驱动，因为用户空间不能直接对内核进行操作，因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间“陷入” 到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。 open、 close、 write 和 read 等这些函数是由 C 库提供的，在 Linux 系统中，系统调用作为 C 库的一部分。当我们调用 open 函数的时候流程如图所示：
其中关于 C 库以及如何通过系统调用“陷入” 到内核空间这个我们不用去管，我们重点关注的是应用程序和具体的驱动，应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数，比如应用程序中调用了 open 这个函数，那么在驱动程序中也得有一个名为 open 的函数。每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数，在 Linux 内核文件 include/linux/fs.h 中有个叫做 file_operations 的结构体，此结构体就是Linux 内核驱动操作函数集合。
字符设备驱动开发步骤
我们在学习裸机或者 STM32 的时候关于驱动的开发就是初始化相应的外设寄存器，在 Linux 驱动开发中肯定也是要初始化相应的外设寄存器，这个是毫无疑问的。只是在 Linux 驱动开发中我们需要按照其规定的框架来编写驱动，所以说学 Linux 驱动开发重点是学习其驱动框架。
1. 驱动模块的加载和卸载
Linux 驱动有两种运行方式，第一种就是将驱动编译进 Linux 内核中，这样当 Linux 内核启动的时候就会自动运行驱动程序。第二种就是将驱动编译成模块(Linux 下模块扩展名为.ko)，在Linux 内核启动以后使用“insmod”命令加载驱动模块。在调试驱动的时候一般都选择将其编译为模块，这样我们修改驱动以后只需要编译一下驱动代码即可，不需要编译整个 Linux 代码。而且在调试的时候只需要加载或者卸载驱动模块即可，不需要重启整个系统。总之，将驱动编译为模块最大的好处就是方便开发，当驱动开发完成，确定没有问题以后就可以将驱动编译进Linux 内核中，当然也可以不编译进 Linux 内核中，具体看自己的需求。
模块有加载和卸载两种操作，我们在编写驱动的时候需要注册这两种操作函数，模块的加载和卸载注册函数如下：
module_init(xxx_init); //注册模块加载函数
module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数
module_init 函数用来向 Linux 内核注册一个模块加载函数，参数 xxx_init 就是需要注册的具体函数，当使用“insmod”命令加载驱动的时候， xxx_init 这个函数就会被调用。 module_exit()函数用来向 Linux 内核注册一个模块卸载函数，参数 xxx_exit 就是需要注册的具体函数，当使用“rmmod”命令卸载具体驱动的时候 xxx_exit 函数就会被调用。
驱动编译完成以后扩展名为.ko，有两种命令可以加载驱动模块： insmod和 modprobe， insmod是最简单的模块加载命令，此命令用于加载指定的.ko 模块，比如加载 drv.ko 这个驱动模块，命令如下：
insmod drv.ko
insmod 命令不能解决模块的依赖关系，比如 drv.ko 依赖 first.ko 这个模块，就必须先使用insmod 命令加载 first.ko 这个模块，然后再加载 drv.ko 这个模块。 但是 modprobe 就不会存在这个问题， modprobe 会分析模块的依赖关系，然后会将所有的依赖模块都加载到内核中，因此modprobe 命令相比 insmod 要智能一些。 modprobe 命令主要智能在提供了模块的依赖性分析、错误检查、错误报告等功能，推荐使用 modprobe 命令来加载驱动。 modprobe 命令默认会去/lib/modules/目录中查找模块，比如本书使用的 Linux kernel 的版本号为 4.1.15，因此 modprobe 命令默认会到/lib/modules/4.1.15 这个目录中查找相应的驱动模块，一般自己制作的根文件系统中是不会有这个目录的，所以需要自己手动创建。
驱动模块的卸载使用命令“rmmod”即可，比如要卸载 drv.ko，使用如下命令即可：
rmmod drv.ko
也可以使用“modprobe -r”命令卸载驱动，比如要卸载 drv.ko，命令如下：
modprobe -r drv.ko
使用 modprobe 命令可以卸载掉驱动模块所依赖的其他模块，前提是这些依赖模块已经没有被其他模块所使用，否则就不能使用 modprobe 来卸载驱动模块。所以对于模块的卸载，还是推荐使用 rmmod 命令。
2.字符设备注册与注销
对于字符设备驱动而言，当驱动模块加载成功以后需要注册字符设备，同样，卸载驱动模块的时候也需要注销掉字符设备。
字符设备的注册和注销函数原型如下所示:
static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops)
static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)
register_chrdev 函数用于注册字符设备，此函数一共有三个参数，这三个参数的含义如下：
major： 主设备号， Linux 下每个设备都有一个设备号，设备号分为主设备号和次设备号两部分。
name：设备名字，指向一串字符串。
fops： 结构体 file_operations 类型指针，指向设备的操作函数集合变量。
unregister_chrdev 函数用户注销字符设备，此函数有两个参数，这两个参数含义如下：
major： 要注销的设备对应的主设备号。
name： 要注销的设备对应的设备名。
一般字符设备的注册在驱动模块的入口函数 xxx_init 中进行，字符设备的注销在驱动模块的出口函数 xxx_exit 中进行。
3.实现设备的具体操作函数
file_operations 结构体就是设备的具体操作函数，我们定义file_operations结构体类型的变量为test_fops，完成对变量test_fops的初始化，设置好针对 chrtest 设备的操作函数。在初始化之前，我们要确定设备的功能要求：
1、能够对 chrtest 进行打开和关闭操作
设备打开和关闭是最基本的要求，几乎所有的设备都得提供打开和关闭的功能。因此我们需要实现 file_operations 中的 open 和 release 这两个函数。
2、对 chrtest 进行读写操作
假设 chrtest 这个设备控制着一段缓冲区(内存)，应用程序需要通过 read 和 write 这两个函数对 chrtest 的缓冲区进行读写操作。所以需要实现 file_operations 中的 read 和 write 这两个函数。
4.添加 LICENSE 和作者信息
最后我们需要在驱动中加入 LICENSE 信息和作者信息，其中 LICENSE 是必须添加的，否则的话编译的时候会报错，作者信息可以添加也可以不添加。 LICENSE 和作者信息的添加使用如下两个函数：
MODULE_LICENSE() //添加模块 LICENSE 信息
MODULE_AUTHOR() //添加模块作者信息
LINUX设备号
1.设备号的组成
为了方便管理， Linux 中每个设备都有一个设备号，设备号由主设备号和次设备号两部分组成，主设备号表示某一个具体的驱动，次设备号表示使用这个驱动的各个设备。 Linux 提供了一个名为 dev_t 的数据类型表示设备号，dev_t 其实就是 unsigned int 类型，是一个 32 位的数据类型。这 32 位的数据构成了主设备号和次设备号两部分，其中高 12 位为主设备号， 低 20 位为次设备号。因此 Linux系统中主设备号范围为 0~4095，所以大家在选择主设备号的时候一定不要超过这个范围。在文件 include/linux/kdev_t.h 中提供了几个关于设备号的操作函数(本质是宏)，如下所示：
#define MINORBITS 20
#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)
#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))
第 1 行，宏 MINORBITS 表示次设备号位数，一共是 20 位。
第 2 行，宏 MINORMASK 表示次设备号掩码。
第 3 行，宏 MAJOR 用于从 dev_t 中获取主设备号，将 dev_t 右移 20 位即可。
第 4 行，宏 MINOR 用于从 dev_t 中获取次设备号，取 dev_t 的低 20 位的值即可。
第 5 行，宏 MKDEV 用于将给定的主设备号和次设备号的值组合成 dev_t 类型的设备号。
2.设备号的分配
2.1、静态分配设备号
本小节讲的设备号分配主要是主设备号的分配。前面讲解字符设备驱动的时候说过了，注册字符设备的时候需要给设备指定一个设备号，这个设备号可以是驱动开发者静态的指定一个设备号，比如选择 200 这个主设备号。有一些常用的设备号已经被 Linux 内核开发者给分配掉了，具体分配的内容可以查看文档 Documentation/devices.txt。并不是说内核开发者已经分配掉的主设备号我们就不能用了，具体能不能用还得看我们的硬件平台运行过程中有没有使用这个主设备号，使用“cat /proc/devices”命令即可查看当前系统中所有已经使用了的设备号。
2.2、动态分配设备号
静态分配设备号需要我们检查当前系统中所有被使用了的设备号，然后挑选一个没有使用的。而且静态分配设备号很容易带来冲突问题， Linux 社区推荐使用动态分配设备号，在注册字符设备之前先申请一个设备号，系统会自动给你一个没有被使用的设备号，这样就避免了冲突。卸载驱动的时候释放掉这个设备号即可，设备号的申请函数如下：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
函数 alloc_chrdev_region 用于申请设备号，此函数有 4 个参数：
dev：保存申请到的设备号。
baseminor： 次设备号起始地址， alloc_chrdev_region 可以申请一段连续的多个设备号，这些设备号的主设备号一样，但是次设备号不同，次设备号以 baseminor 为起始地址地址开始递增。一般 baseminor 为 0，也就是说次设备号从 0 开始。
count： 要申请的设备号数量。
name：设备名字。
注销字符设备之后要释放掉设备号，设备号释放函数如下：
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
此函数有两个参数：
from：要释放的设备号。
count：表示从 from 开始，要释放的设备号数量。
程序编写
1.设备驱动程序
我们要实现应用程序调用 open 函数打开 chrdevbase 这个设备，打开以后可以使用 write 函数向chrdevbase 的写缓冲区 writebuf 中写入数据(不超过 100 个字节)，也可以使用 read 函数读取读缓冲区 readbuf 中的数据操作，操作完成以后应用程序使用 close 函数关闭 chrdevbase 设备。
#define CHRDEVBASE_MAJOR 200 /* 主设备号 */
#define CHRDEVBASE_NAME "chrdevbase" /* 设备名 */
static char readbuf[100]; /* 读缓冲区 */
static char writebuf[100]; /* 写缓冲区 */
static char kerneldata[] = {"kernel data!"};
/*
* @description : 打开设备
* @param - inode : 传递给驱动的inode
* @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
* 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int chrdevbase_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
//printk("chrdevbase open!\r\n");
return 0;
}
/*
* @description : 从设备读取数据
* @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
* @param - cnt : 要读取的数据长度
* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
*/
static ssize_t chrdevbase_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue = 0;
/* 向用户空间发送数据 */
memcpy(readbuf, kerneldata, sizeof(kerneldata));
retvalue = copy_to_user(buf, readbuf, cnt);
if(retvalue == 0){
printk("kernel senddata ok!\r\n");
}else{
printk("kernel senddata failed!\r\n");
}
//printk("chrdevbase read!\r\n");
return 0;
}
/*
* @description : 向设备写数据
* @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符
* @param - buf : 要写给设备写入的数据
* @param - cnt : 要写入的数据长度
* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
*/
static ssize_t chrdevbase_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue = 0;
/* 接收用户空间传递给内核的数据并且打印出来 */
retvalue = copy_from_user(writebuf, buf, cnt);
if(retvalue == 0){
printk("kernel recevdata:%s\r\n", writebuf);
}else{
printk("kernel recevdata failed!\r\n");
}
//printk("chrdevbase write!\r\n");
return 0;
}
/*
* @description : 关闭/释放设备
* @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int chrdevbase_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
//printk("chrdevbase release！\r\n");
return 0;
}
/*
* 设备操作函数结构体
*/
static struct file_operations chrdevbase_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = chrdevbase_open,
.read = chrdevbase_read,
.write = chrdevbase_write,
.release = chrdevbase_release,
};
/*
* @description : 驱动入口函数
* @param : 无
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int __init chrdevbase_init(void)
{
int retvalue = 0;
/* 注册字符设备驱动 */
retvalue = register_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME, &chrdevbase_fops);
if(retvalue < 0){
printk("chrdevbase driver register failed\r\n");
}
printk("chrdevbase init!\r\n");
return 0;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit chrdevbase_exit(void)
{
/* 注销字符设备驱动 */
unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME);
printk("chrdevbase exit!\r\n");
}
/*
* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数
*/
module_init(chrdevbase_init);
module_exit(chrdevbase_exit);
/*
* LICENSE和作者信息
*/
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("jiajia2020");
chrdevbase_open 函数，当应用程序调用 open 函数的时候此函数就会调用，我们在这个函数中没有做任何工作，只是输出一串字符，用于调试。chrdevbase_read 函数，应用程序调用 read 函数从设备中读取数据的时候此函数会执行。参数 buf 是用户空间的内存，读取到的数据存储在 buf 中，参数 cnt 是要读取的字节数，参数 offt 是相对于文件首地址的偏移。因为内核空间不能直接操作用户空间的内存，因此需要借助 copy_to_user 函数来完成内核空间的数据到用户空间的复制。
chrdevbase_write 函数，应用程序调用 write 函数向设备写数据的时候此函数就会执行。参数 buf 就是应用程序要写入设备的数据，也是用户空间的内存，参数 cnt 是要写入的数据长度，参数 offt 是相对文件首地址的偏移。因为用户空间内存不能直接访问内核空间的内存，所以需要借助函数 copy_from_user 将用户空间的数据复制到 writebuf 这个内核空间中。
chrdevbase_release 函数，应用程序调用 close 关闭设备文件的时候此函数会执行，一般会在此函数里面执行一些释放操作。如果在 open 函数中设置了 filp 的 private_data 成员变量指向设备结构体，那么在 release 函数最终就要释放掉。
驱动入口函数 chrdevbase_init 调用函数 register_chrdev 来注册字符设备。驱动出口函数 chrdevbase_exit 调用函数 unregister_chrdev 来注销字符设备，然后通过 module_init 和 module_exit 这两个函数来指定驱动的入口和出口函数。最后添加 LICENSE 和作者信息。
2.测试APP编写
测试 APP 很简单通过输入相应的指令来对 chrdevbase 设备执行读或者写操作。
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
static char usrdata[] = {"usr data!"};
/*
* @description : main主程序
* @param - argc : argv数组元素个数
* @param - argv : 具体参数
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, retvalue;
char *filename;
char readbuf[100], writebuf[100];
if(argc != 3){
printf("Error Usage!\r\n");
return -1;
}
filename = argv[1];
/* 打开驱动文件 */
fd = open(filename, O_RDWR);
if(fd < 0){
printf("Can't open file %s\r\n", filename);
return -1;
}
if(atoi(argv[2]) == 1){ /* 从驱动文件读取数据 */
retvalue = read(fd, readbuf, 50);
if(retvalue < 0){
printf("read file %s failed!\r\n", filename);
}else{
/* 读取成功，打印出读取成功的数据 */
printf("read data:%s\r\n",readbuf);
}
}
if(atoi(argv[2]) == 2){
/* 向设备驱动写数据 */
memcpy(writebuf, usrdata, sizeof(usrdata));
retvalue = write(fd, writebuf, 50);
if(retvalue < 0){
printf("write file %s failed!\r\n", filename);
}
}
/* 关闭设备 */
retvalue = close(fd);
if(retvalue < 0){
printf("Can't close file %s\r\n", filename);
return -1;
}
return 0;
}
测试运行
根据上文代码进行编译，得到 chrdevbase.ko驱动文件，而后通过：
arm-linux-gnueabihf-gcc chrdevbaseApp.c -o chrdevbaseApp
生成一个叫做 chrdevbaseApp 的可执行程序。
接下来我们先加载chrdevbase.ko驱动文件：
modprobe chrdevbase.ko
可以看到“chrdevbase init！”这一行，这一行正是 chrdevbase.c 中模块入口函数 chrdevbase_init 输出的信息，说明模块加载成功！
输入如下命令查看当前系统中有没有 chrdevbase 这个设备：
cat /proc/devices
可以看出，当前系统存在 chrdevbase 这个设备，主设备号为 200，跟我们设置的主设备号一致。
驱动加载成功需要在/dev 目录下创建一个与之对应的设备节点文件，应用程序就是通过操作这个设备节点文件来完成对具体设备的操作。输入如下命令创建/dev/chrdevbase 这个设备节点文件：
mknod /dev/chrdevbase c 200 0
其中“mknod”是创建节点命令，“/dev/chrdevbase”是要创建的节点文件，“c”表示这是个字符设备，“ 200”是设备的主设备号，“ 0”是设备的次设备号。
如果 chrdevbaseAPP 想要读写 chrdevbase 设备，直接对/dev/chrdevbase 进行读写操作即可。相当于/dev/chrdevbase 这个文件是 chrdevbase 设备在用户空间中的实现。
接下来进行设备测试：使用 chrdevbaseApp 软件操作 chrdevbase 这个设备，看看读写是否正常，首先进行读操作，输入如下命令：
./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 1
由上图可知chrdevbase的读功能正常，接下来测试他的写功能，输入如下命令：
./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 2
说明对 chrdevbase 的写操作正常，既然读写都没问题，说明我们编写的 chrdevbase 驱动是没有问题的。
至此， chrdevbase 这个设备的整个驱动就验证完成了，驱动工作正常。