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【linux驱动开发】在linux内核中注册一个杂项设备与字符设备以及内核传参的详细教程

news 来源：原创 2024/5/9 11:09:56

文章目录

  • 注册杂项设备
  • 驱动模块传参
  • 注册字符设备

开发环境： windows + ubuntu18.04 + 迅为rk3568开发板

注册杂项设备

相较于字符设备，杂项设备有以下两个优点:

  • 节省主设备号:杂项设备的主设备号固定为 10，在系统中注册多个 misc 设备驱动时，只需使用子设备号进行区分即可。
  • 使用简单：相比如普通的字符设备驱动， misc驱动只需要将基本信息通过结构体传递给相应处理函数即可。

在linxu系统中可使用 cat /proc/misc 命令查看系统中的杂项设备。注册杂项设备的步骤：

  • 1.填充设备操作集结构体struct file_operations；

  • 2.填充杂项设备结构体struct miscdevice;

  • 3.使用函数misc_register注册杂项设备;

  • 4.使用函数misc_deregister卸载杂项设备；

上面三步可使用下面函数直观用表达，即：

static struct file_operations xxx_fops{.owner = THIS_MODULE, .read = xxx_read, ....
};
struct miscdevice xxx_dev{.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR, .name = "xxx", .fops = &xxx_fops
};
static int __init xxx_init(void) //驱动入口函数
{int ret;printk(KERN_EMERG "xxx_init\r\n");ret = misc_register(&xxx_dev);//注册杂项设备if(ret<0){printk( "misc_register failed\r\n");return -1;}printk( "misc_register ok\r\n");return 0;
}
static void __exit xxx_exit(void) //驱动出口函数
{printk(KERN_EMERG "xxx_exit\r\n");misc_deregister(&xxx_dev); //卸载杂项设备
}
module_init(xxx_init); //注册入口函数
module_exit(xxx_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("xxx");

具体实现注册一个杂项设备的示例代码如下：

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>              //初始化头文件
#include <linux/module.h>            //最基本的文件，支持动态添加和卸载模块。
#include <linux/miscdevice.h>        //注册杂项设备头文件
#include <linux/fs.h>                //注册设备节点的文件结构体
#include <linux/uaccess.h>// 打开杂项设备
int _open(struct inode *inode,struct file*file)
{printk(KERN_EMERG"hello misc");return 0;
}// 关闭杂项设备
int close(struct inode * inode, struct file *file)
{printk(KERN_EMERG"close");return 0;
}// 读取杂项设备中的数据
ssize_t misc_read (struct file *file, char __user *buff, size_t size, loff_t *loff)
{char kbuff[32] = "kernel";if(copy_to_user(buff,kbuff,strlen(kbuff)) != 0) // 将内核中的数据给应用{printk("copy_to_user error\r\n");return -1;}	printk(KERN_EMERG"copy_to_user is successful\r\n");return size;
}// 写入数据到杂项设备中
ssize_t misc_write (struct file *file, const char __user *buff, size_t size, loff_t *loff)
{char kbuff[32] ;if(copy_from_user(kbuff,buff,size)!= 0) // 从应用那儿获取数据{printk("copy_from_user error\r\n");return -1;}	printk(KERN_EMERG"copy_from_user data:%s\r\n",kbuff);return size;
}// 设备文件描述集  
struct file_operations misc_fops ={.owner = THIS_MODULE,.open = misc_open,.release = close,.read = misc_read,.write = misc_write
};struct miscdevice misc_dev = {.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,.name = "hello_misc", // 杂项设备名   注册成功后会在 /dev目录下显示.fops = &misc_fops
};// 驱动的入口函数
static int __init misc_init(void)
{int ret = 0;ret = misc_register(&misc_dev);if(ret < 0)printk(KERN_EMERG"misc register is error\r\n.");elseprintk(KERN_EMERG"misc register is seccussful\r\n.");return 0;
}//驱动的出口函数
static void __exit misc_exit(void)
{misc_deregister(&misc_dev);printk(KERN_EMERG"baibai\r\n");
}module_init(misc_init);
module_exit(misc_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_AUTHOR("zhouxianjie0716@qq.com");

编译传送到开发板上后，先试用insmod +驱动名.ko挂载驱动，其结果为：
在这里插入图片描述

上述驱动代码的测试代码如下：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main(int argc,char *argv[])
{char filePath[] = "/dev/hello_misc";// 打开文件int fd = open(filePath,O_RDWR);if(fd < 0){printf("opening is failed.\n");return -1;}elseprintf("opening is successful.\n");// 读取char buff1[32],buff2[32] = "hello this is app";read(fd,buff1,sizeof(buff1));printf("buff1 is %s.\n",buff1);// 写入write(fd,buff2,sizeof(buff2));	close(fd);return 0;
}

使用./+程序名运行测试代码后，得结果如下：
在这里插入图片描述

驱动模块传参

总所周知，应用程序传参是通过shell终端传，只要将main函数按照下面格式书写即可完成传参操作

int main(int argc ,char *argv[])
{return 0;
}

相比之下，驱动模块传递参数需要借助其他函数完成传参操作：

1. 传递单个参数给内核

module_param(name, type, perm)

参数解释：

  • name:参数名，既是外部参数名，又是内部参数名。

  • type:参数的数据类型，可取int、charp等。

  • perm:访问权限。八进制，如:0777。0表示该参数在文件系统中不可见。

注意：传递字符作为参数时数据类为charp，而不是char.

2.传递数组给内核

module_param_array(name, type, nump, perm)
  • module_param_array(name,type,nump,perm)
  • name:数组参数名，既是外部参数，又是内部参数
  • type:参数的数据类型
  • nump:终端传给数组的实际元素个数（指针变量）
  • perm:访问权限，0644。0表示该参数在文件系统中不可见

3.传递字符串给内核

module_param_string(name, string, len, perm)
  • name:参数名，外部参数名
  • string:内部参数名（内部字符数组名）
  • len:数组长度
  • perm:访问权限，0644。0表示该参数在文件系统中不可见

传递参给内核的作用：

  • 1.设置驱动的相关参数，如：设备数量、设备缓冲区大小等等。
  • 2.可进行安全校验，放置驱动被他人盗用。

说明：
参数传递的适用时机为 加载驱动到内核时，命令形式为：insmod +驱动名.ko +参数1名=参数值 参数2名=参数值 ……。例如下面示例中使用insmod file.ko date=12传递参数：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>// 保存参数
static int date;
static int date1;
static int data[5];
static int count;
static char str[32];
static char *strData;// 传递单个参数
module_param(date,int,S_IRUGO|S_IWUSR); // 可读可写
module_param(date1,int,S_IRUGO); // 可读可写
module_param(strData,charp,S_IRUGO); // 可读// 传递多个参数
module_param_array(data,int,&count,S_IRUGO); // 可读
module_param_string(str,str,sizeof(str),S_IRUGO); // 可读// 驱动的入口函数
static int __init dev_init(void)
{int i=0;if(strcmp(str,"myTest")!=0){printk("dev_init error\r\n");return -1;}printk("---------------------------------------\r\n");printk(KERN_EMERG"dev_init is successful!\r\n");for(i=0;i<count;++i)printk("data[%d] = %d \r\n",i,data[i]);printk("str:%s  strData:%s\r\n",str,strData);printk("date:%d  count:%d\r\n",date,count);data[1] = 111;date = 10;date1 = 111;return 0;
}//驱动的出口函数
static void __exit dev_exit(void)
{int i=0;for( i=0;i<count;++i)printk("data[%d] = %d \r\n",i,data[i]);printk("date:%d  count:%d\r\n",date,count);printk(KERN_EMERG"dev_exit is successful\r\n");
}module_init(dev_init);
module_exit(dev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_AUTHOR("zhouxianjie0716@qq.com");

注册字符设备

步骤一：驱动初始化，需要申请设备号，初始化并且注册cdev结构体，初始化硬件；

可使用动态申请或静态申请设备号，其中动态申请设备号一般在235-255,静态申请则一般由用户手动输入。

静态申请的函数原型为：

 int register_chrdev_region(dev_t, unsigned, const char *);

参数含义：

  • from: 自定义的 dev_t 类型设备号。
  • count: 申请设备的数量。
  • name: 申请的设备名称。
    函数返回值：申请成功返回 0，申请失败返回负数。

动态申请的函数原型为：

 int alloc_chrdev_region(dev_t *, unsigned, unsigned, const char *);

参数含义：

  • dev : 会将申请完成的设备号保存在 dev 变量中。
  • baseminor: 次设备号可申请的最小值。
  • count: 申请设备的数量。
  • name: 申请的设备名称。
    函数返回值：申请成功返回 0，申请失败返回负

Linux 内核中将字符设备抽象成一个具体的数据结构 (struct cdev), 我们可以理解为字符设备对象，cdev 记录了字符设备号、内核对象、文件操作 file_operations 结构体（设备的打开、读写、关闭等操作接口）等信息:

struct cdev {struct kobject kobj; //内嵌的内核对象.struct module *owner; //该字符设备所在的内核模块的对象指针. const struct file_operations *ops; //该结构描述了字符设备所能实现的方法，是极为关键的一个结构体.struct list_head list; //用来将已经向内核注册的所有字符设备形成链表. dev_t dev; //字符设备的设备号，由主设备号和次设备号构成. unsigned int count; //隶属于同一主设备号的次设备号的个数. 
};

初始化设备描述集cdev结构体的函数原型为：

void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);

参数含义：

  • 参数1：表示是抽象设备结构体；
  • 参数2：表示文件操作集；

注册设备到内驱使用下面函数

int cdev_add(struct cdev *, dev_t,  unsigned);

参数含义：

  • 参数1：为要添加的 struct cdev 类型的结构体
  • 参数2：为申请的字符设备号
  • 参数3：为和该设备关联的设备编号的数量
    若函数在内核中添加成功返回 0，添加失败返回负数。

步骤二：构建设备文件操作描述集file_operations

也就是read、write、open、close等函数。

步骤三：生成并且添加设备节点

  • 手动添加设备节点：也就是在加载驱动到内核时添加，即mknod + 路径/设备名 +设备类型 + 主设备号 + 次设备号
  • 自动添加设备节点：初始化内核时，使用函数自动添加。即先试用函数class_create创建一个类，在使用函数device_create创建并且添加设备节点。

class_create函数说明：

#define class_create(owner, name) \
({ \
static struct lock_class_key __key; \ __class_create(owner, name, &__key); \
})

函数作用：
用于动态创建设备的逻辑类，并完成部分字段的初始化，然后将其添加进 Linux 内核系统。

参数含义：

  • owner：指向函数即将创建的这个 struct class 的模块。一般为 THIS_MODULE。
  • name：代表即将创建的 struct class 变量的名字。
    返回值：struct class * 类型的类。

device_create函数说明：


struct device *device_create(struct class *cls, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt,...);

函数作用：
用来在 class 类中下创建一个设备属性文件，udev 会自动识别从而进行设备节点的创建。

参数含义：

  • cls：指定所要创建的设备所从属的类。
  • parent:指定该设备的父设备，如果没有就指定为 NULL。
  • devt:指定创建设备的设备号。
  • drvdata:被添加到该设备回调的数据，没有则指定为 NULL。
  • fmt：添加到系统的设备节点名称。

返回值：struct device * 类型结构体的设备

步骤四：注销字符设备驱动，

  • 步骤一：使用函数unregister_chrdev_region释放设备号
void unregister_chrdev_region(dev_t, unsigned)

该函数只有一个参数，为要删除设备的设备号，并且函数无返回值。

  • 步骤二：使用函数cdev_del步骤二：删除设备操作集卸载cdev
void cdev_del(struct cdev *);

该函数只有一个参数，为要删除的 struct cdev 类型的结构体，并且函数无返回值。

  • 步骤三：使用函数device_destroy卸载设备
void device_destroy(struct class *cls, dev_t devt);

用来删除 cls 类中的devt设备属性文件，udev 会自动识别从而进行设备节点的删除。

  • 步骤四：使用函数class_destroy删除类class
 void class_destroy(struct class *cls);

该函数只有一个参数，为要删除的类，并且函数无返回值。

示例代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/cdev.h>#define DEVICE_NUMBER 1 // 设备数量
#define DEVICE_SNAME "schrdev" // 静态申请时设备名
#define DEVICE_ANAME "achrdev" // 动态申请时设备名
#define DEVICE_MINOR_NUM 0 // 次设备号起始地址
#define DEVICE_CLASS_NAME "myTestClass" // 类名
#define DEVICE_MYNAME "mytest"// 打开设备
int chrdev_open(struct inode*inode,struct file*file)
{printk("chrdev_open is opened\r\n");return 0;
}// 保存设备号 其中前12位为主设备号 后20位为次设备号
static dev_t dev_num;// 定义主设备号 次设备号
static int major_num,minor_num; // 设备信息描述集
struct cdev cdev;// 类描述集
struct class *cls;// 设备描述集
struct device*device;// 传递单个参数
module_param(major_num,int,S_IRUGO); // 可读
module_param(minor_num,int,S_IRUGO); // 可读// 文件操作集
struct file_operations chrdev_opr = {.owner = THIS_MODULE,.open = chrdev_open
};// 驱动的入口函数
static int __init dev_init(void)
{int ret;/* 步骤一：申请设备号 */// 有传递主设备号就静态申请if(major_num){	dev_num = MKDEV(major_num, minor_num);//将主设备号 次设备号合并成设备号//参数分别表示 设备号 设备数量 设备名称ret = register_chrdev_region(dev_num, DEVICE_NUMBER, DEVICE_SNAME); if(ret < 0){printk("dev_init error\r\n");return -1;}}	// 否则就动态申请else{// 参数：设备号 次设备号起始地址 设备数量 设备名称ret = alloc_chrdev_region(&dev_num , DEVICE_MINOR_NUM, DEVICE_NUMBER, DEVICE_ANAME);if(ret < 0){printk("dev_init error\r\n");return -1;}// 获取主设备号 次设备号major_num = MAJOR(dev_num);minor_num = MINOR(dev_num);}printk("---------------------------------------\r\n");printk("dev_num:%d major_num:%d minor_num:%d\r\n",dev_num,major_num,minor_num);/* 步骤二：初始化设备 */// 初始化cdevcdev.owner = THIS_MODULE;// 初始化设备  cdev_init(&cdev, &chrdev_opr);/* 步骤三：注册设备到内核 *///添加(注册)到内核 参数： 设备   设备号  设备数量cdev_add(&cdev, dev_num, DEVICE_NUMBER);/* 步骤四：先创建类再自动创建添加设备名称*/// 创建类 参数1： 类的归属   参数2： 类名cls = class_create(THIS_MODULE,DEVICE_CLASS_NAME);// 创建设备 参数1： 归属到类   参数2：设备的父设备 参数3：设备号 参数4：添加到设备的回调数据 参数5：设备名device = device_create(cls,NULL,dev_num,NULL,DEVICE_MYNAME);printk("auto add device name\r\n");return 0;
}//驱动的出口函数
static void __exit dev_exit(void)
{/* 步骤一：注销设备号 参数：设备号   设备数量 */ unregister_chrdev_region(MKDEV(major_num, minor_num), DEVICE_NUMBER);/* 步骤二：删除设备操作集 */cdev_del(&cdev);/* 步骤三：删除设备*/device_destroy(cls,dev_num);/* 步骤四： 删除类*/class_destroy( cls);printk(KERN_EMERG"dev_exit is successful\r\n");
}module_init(dev_init);
module_exit(dev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_AUTHOR("zhouxianjie0716@qq.com");

使用加载驱动到内核insmod file.ko命令，得结果
在这里插入图片描述

在测试驱动前需要使用mknod /dev/mytest c 236 0创建设备文件，命令格式为：mknod + /路径/设备名称 +设备类型+主设备号 + 次设备号。

然后就可写一个应用程序来测试我们的字符驱动是否成功注册，测试源码如下：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main(int argc,char* argv[])
{char name[] = "/dev/mytest";int fd = open(name,O_RDONLY); // 仅读if(fd < 0){printf("open is failed\n");return -1;}close(fd);return 0;
}

执行测试程序后结果如下：
在这里插入图片描述

注意：在运行测试程序时，一定要先创建驱动文件，否则就会报段错误，具体如下：
在这里插入图片描述

杂项设备与字符设备的比较：

  • 杂项设备的主设备号固定为10，而字符设备的主设备号需要创建。
  • 杂项设备的创建相对简单，只需要填充设备操作集结构体、杂项设备结构体再注册即可。而字符设备需要经过 申请设备号、初始化并且注册cdev结构体、初始化硬件、构建设备文件操作描述集、生成并且添加设备节点。
  • 杂项设备与字符设备都需要构建文件操作描述集。(应用层调用驱动的核心)

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