【轉】在Linux下寫一個簡單的驅動程序

本文轉載自查看原文 2019-09-17 14:48 2242 Linux學習

轉自：https://www.cnblogs.com/amanlikethis/p/4914510.html

　　本文首先描述了一個可以實際測試運行的驅動實例，然后由此去討論Linux下驅動模板的要素，以及Linux上應用程序到驅動的執行過程。相信這樣由淺入深、由具體實例到抽象理論的描述更容易初學者入手Linux驅動的大門。

一、一個簡單的驅動程序實例

驅動文件hello.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>

#define    HELLO_MAJOR     231
#define    DEVICE_NAME     "HelloModule"

static int hello_open(struct inode *inode, struct file *file){
    printk(KERN_EMERG "hello open.\n");
    return 0;
}

static ssize_t hello_write(struct file *file, const char __user * buf, size_t count, loff_t *ppos){
    printk(KERN_EMERG "hello write.\n");
    return 0;
}

static struct file_operations hello_flops = {
    .owner  =   THIS_MODULE,
    .open   =   hello_open,     
    .write  =   hello_write,
};

static int __init hello_init(void){
    int ret;
    
    ret = register_chrdev(HELLO_MAJOR,DEVICE_NAME, &hello_flops);
    if (ret < 0) {
      printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " can't register major number.\n");
      return ret;
    }
    printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " initialized.\n");
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void){
    unregister_chrdev(HELLO_MAJOR, DEVICE_NAME);
    printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " removed.\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

　　驅動文件主要包括函數hello_open、hello_write、hello_init、hello_exit，測試案例中並沒有賦予驅動模塊具有實際意義的功能，只是通過打印日志的方式告知控制台一些調試信息，這樣我們就可以把握驅動程序的執行過程。

　　在使用printk打印的時候，在參數中加上了“KERN_EMERG”可以確保待打印信息輸出到控制台上。由於printk打印分8個等級，等級高的被打印到控制台上，而等級低的卻輸出到日志文件中。

編譯驅動所需的Makefile

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
MODULE_NAME = hellomodule
$(MODULE_NAME)-objs := hello.o
obj-m := $(MODULE_NAME).o
else
KERNEL_DIR = /lib/modules/`uname -r`/build
MODULEDIR := $(shell pwd)

.PHONY: modules
default: modules

modules:
    make -C $(KERNEL_DIR) M=$(MODULEDIR) modules

clean distclean:
    rm -f *.o *.mod.c .*.*.cmd *.ko
    rm -rf .tmp_versions
endif

　　編譯驅動文件需要一個合適的makefile，因為編譯驅動的時候需要知道內核頭文件，編譯規則等。

測試驅動的上層應用代碼hellotest.c

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

int main(void)
{
    int fd;
    int val = 1;
    fd = open("/dev/hellodev", O_RDWR);
    if(fd < 0){
        printf("can't open!\n");
    }
    write(fd, &val, 4);
    return 0;
}

　　上層測試案例中，首先打開設備文件，然后向設備中寫入數據。如此，則會調用驅動中對應的xxx_open和xxx_write函數，通過驅動程序的打印信息可以判斷是否真的如願執行了對應的函數。

二、驅動實例測試

　　測試的方法整體來說就是，編譯驅動和上層測試應用；加載驅動，通過上層應用調用驅動；最后，卸載驅動。

1、編譯驅動

#make

　　make命令，直接調用Makefile編譯hello.c，最后會生成“hellomodule.ko”。

2、編譯上層應用

#gcc hellotest.c -o hellotest

　　通過這條命令，就能編譯出一個上層應用hellotest。

3、加載驅動

#insmod hellomodule.ko

　　insmod加載驅動的時候，會調用函數hello_init()，打印的調試信息如下。

　　此外，在"/proc/devices"中可以看到已經加載的模塊。

4、創建節點

　　雖然已經加載了驅動hellomodule.ko，而且在/proc/devices文件中也看到了已經加載的模塊HelloModule，但是這個模塊仍然不能被使用，因為在設備目錄/dev目錄下還沒有它對應的設備文件。所以，需要創建一個設備節點。

#mknod /dev/hellodev c 231 0

　　在/proc/devices中看到HelloModule模塊的主設備號為231，創建節點的時候就是將設備文件/dev/hellodev與主設備號建立連接。這樣在應用程序操作文件/dev/hellodev的時候，就會定位到模塊HelloModule。

/proc/devices 與 /dev的區別

/proc/devices中的設備是驅動程序生成的，它可產生一個major供mknod作為參數。這個文件中的內容顯示的是當前掛載在系統的模塊。當加載驅動HelloModule的時候，並沒有生成一個對應的設備文件來對這個設備進行抽象封裝，以供上層應用訪問。

/dev下的設備是通過mknod加上去的，用戶通過此設備名來訪問驅動。我以為可以將/dev下的文件看做是硬件模塊的一個抽象封裝，Linux下所有的設備都以文件的形式進行封裝。

5、上層應用調用驅動

#./hellotest

　　hellotest應用程序先打開文件“/dev/hellodev”，然后向此文件中寫入一個變量val。期間會調用底層驅動中的hello_open和hello_write函數，hellotest的運行結果如下所示。

6、卸載驅動

#rmmod hellomodule

　　insmod卸載驅動的時候，會調用函數hello_exit()，打印的調試信息如下。

總結一個模塊的操作流程：

　　（1）通過insmod命令注冊module

　　（2）通過mknod命令在/dev目錄下建立一個設備文件"xxx"，並通過主設備號與module建立連接

　　（3）應用程序層通過設備文件/dev/xxx對底層module進行操作

三、驅動模板

　　從宏觀上把握了驅動程序的框架，然后再從細節上完善驅動的功能，這是開發驅動程序的一般步驟。驅動模板必備要素有頭文件、初始化函數、退出函數、版權信息，常用的擴展要素是增加一些功能函數完善底層驅動的功能。

1、頭文件

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>

init.h 　　　　定義了驅動的初始化和退出相關的函數
kernel.h 　　定義了經常用到的函數原型及宏定義
module.h 　　定義了內核模塊相關的函數、變量及宏

2、初始化函數

static int __init hello_init(void){
    int ret;
    ret = register_chrdev(HELLO_MAJOR,DEVICE_NAME,&hello_flops);
    if (ret < 0) {
          printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " can't register major number.\n");
          return ret;
    }
    printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " initialized.\n");
    return 0;
}
module_init(hello_init);

　　當加載驅動到內核的時候，這個初始化函數就會被自動執行。

　　初始化函數顧名思義是用來初始化模塊的，常用的功能是通過register_chrdev來注冊函數。內核分配了一塊內存（數組）專門用來存放字符設備的函數集，register_chrdev函數會在這個數組的HELLO_MAJOR位置將hello_flops中的內容進行填充，也就是將HelloModule的功能函數地址注冊到設備管理內存集中。

　　形象的比喻好像是操作系統提供了很多的衣服架，注冊設備就好像是把一個衣服掛到某一個衣服架上。衣服上有許多口袋，就好像每一個模塊有許多功能程序接口。顯然，如果想使用設備的某個功能，就可以先找到對應的衣服架，然后找到相應的口袋，去調用對應的函數，執行動作。

3、退出函數

static void __exit hello_exit(void){
    unregister_chrdev(HELLO_MAJOR, DEVICE_NAME);
    printk(KERN_EMERG DEVICE_NAME " removed.\n");
}
module_exit(hello_exit);

　　當卸載驅動的時候，退出函數便會自動執行，完成一些列清楚工作。

　　在加載驅動的時候，我們向設備管理內存集中注冊了該模塊的相關功能函數。當卸載驅動的時候，就有必要將這個模塊占用的內存空間清空。這樣當其他的設備注冊的時候便有更多的空間可以選擇。

　　形象的比喻是，當卸載驅動的時候，就是把衣服從衣服架上取下來，這樣衣服架就騰空了。

4、版權信息

MODULE_LICENSE("GPL");

　　Linux內核是按照GPL發布的，同樣Linux的驅動程序也要提供版權信息，否則當加載到內核中系統會給出警告信息。

5、功能函數

static int hello_open(struct inode *inode, struct file *file){
    printk(KERN_EMERG "hello open.\n");
    return 0;
}

static int hello_write(struct file *file, const char __user * buf, size_t count, loff_t *ppos){
    printk(KERN_EMERG "hello write.\n");
    return 0;
}

static struct file_operations hello_flops = {
    .owner  =   THIS_MODULE,
    .open   =   hello_open,     
    .write  =   hello_write,
};

　　功能函數雖然不是一個驅動模板所必須的，但是一個有實際意義的驅動程序一定包含功能函數。功能函數實際上定義了這個驅動程序為用戶提供了哪些功能，也就是用戶可以對一個硬件設備可以進行哪些操作。
　　常見的功能函數有xxx_open()、xxx_write()、xxx_read()、xxx_ioctl()、xxx_llseek()等。當上層應用調用open()、write()、read()、ioctl()、llseek()等這些函數的時候，經過層層調用最后到達底層，調用相應的功能函數。結構體file_operations中的成員定義了很多函數，實際應用可以只對其部分成員賦值，其定義如下。