Linux驱动学习实战(4) 从 0 写字符设备驱动

做什么

之前我们已经学习了 Linux 字符设备驱动的基本框架，今天我们来试着手搓一份自己的字符驱动。

怎么做

一份最小字符驱动需要有如下几个内容：
1、所有用到的头文件
2、宏：设备名、类名
3、全局变量，如dev_t、cdev、class*等等
4、一些基本的 open/release/read/write 函数
5、fileoperation 结构体
6、__init 函数、__exit函数
7、module_init/module_exit + MODULE_LICENSE

接下来我们来一步一步，写出一个最小字符设备驱动。

进入文件夹，新建 chrdev.c 文件。
首先包含必要的头文件，如下

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/uaccess.h>

接下来，我们定义主设备号和设备名称，如下

1 2	#define CHRDEVBASE_MAJOR 200 #define CHRDEVBASE_NAME "chrdevbase"

接下来我们写上 open 和 release 函数的基本框架。在函数的参数中，struct inode inode 表示设备对象本身，可以通过函数操作 inode 获得设备本身的信息，如主设备号、次设备号等。struct file filp 表示当前这一次 open 的文件实例。每执行一次 open(“/dev/xxx”)，内核都会创建一个 struct file，如果两个进程同时打开设备，inode 是共享的，filp 不共享。

static int chedevbase_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

static int chrdevbase_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

然后我们来实现设备的注册与注销函数，框架如下。

static int __init chrdevbase_init(void)
{
    return 0;
}

static void __exit chrdevbase_exit(void)
{

}
module_init(chrdevbase_init);
module_exit(chrdevbase_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("hcw");

接下来，我们完成字符设备的 open 和 read 函数框架。char __user *buf 表示用户空间传进来的数据缓冲区的地址，buf 在用户空间，驱动在内核空间，因此访问时必须调用 copy_from_user()函数，size_t cnt表示用户希望写入的字节数，loff_t *offt表示文件偏移量，即当前写入位置。返回值ssize_t表示实际写入的字节数。为了完成这两个函数，我们还需要创建两个内核层缓冲区和一个存放写入数据的区域。

static char readbuf[100];    /* 读缓冲区 */
static char writebuf[100];   /* 写缓冲区 */
static char kerneldata[] = {"kernel data!"};

············

static ssize_t chedevbase_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{

    return 0;
}

static ssize_t chedevbase_write(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{

    return 0;
}

接下来，创建 file_operation 结构体

static struct file_operations chrdevbase_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = chrdevbase_open,
    .release = chrdevbase_release,
    .write = chrdevbase_write,
    .read = chrdevbase_read,
};

目前为止，所有写了的代码如下：

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

#define     CHRDEVBASE_MAJOR    200
#define     CHRDEVBASE_NAME     "chrdevbase"

static char readbuf[100];    /* 读缓冲区 */
static char writebuf[100];   /* 写缓冲区 */
static char kerneldata[] = {"kernel data!"};


static int chrdevbase_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

static int chrdevbase_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

static ssize_t chrdevbase_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{

    return 0;
}

static ssize_t chrdevbase_write(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{

    return 0;
}

static struct file_operations chrdevbase_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = chrdevbase_open,
    .release = chrdevbase_release,
    .write = chrdevbase_write,
    .read = chrdevbase_read,
};

static int __init chrdevbase_init(void)
{
    return 0;
}

static void __exit chrdevbase_exit(void)
{

}
module_init(chrdevbase_init);
module_exit(chrdevbase_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("hcw");

接下来我们来依次完善这些函数。
首先我们来完善注册函数。

static int __init chrdevbase_init(void)
{
    int retvalue  = 0;
    retvalue = register_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR,CHRDEVBASE_NAME,&chrdevbase_fops);
    if(retvalue < 0)
    {
        printk("chrdevbase driver register failed");
    }
    printk("chrdevbase_init()\r\n"); 
    return 0;
}

注销函数只需要添加一句话即可：

unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR,CHRDEVBASE_NAME);

open 函数和 close 函数我们都不需要动，只要修改 write 和 read 函数完成基本功能即可。一般情况下，write 函数返回正数表示成功写入的字节数，0表示没有字节被写入，负数表示错误码。read 函数返回正数表示成功读取的字节数，0表示数据已经读完，返回负数表示错误码。

static ssize_t chrdevbase_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    size_t n;

    if (*offt > 0)
        return 0;

    n = min(cnt, (size_t)sizeof(kerneldata));   // 注意限制长度

    if (copy_to_user(buf, kerneldata, n))
        return -EFAULT;

    *offt += n;
    printk("kernel senddata ok!\n");
    return n;
}

static ssize_t chrdevbase_write(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    size_t n = min(cnt, (size_t)sizeof(writebuf) - 1);

    if (copy_from_user(writebuf, buf, n))
        return -EFAULT;

    writebuf[n] = '\0';
    printk("kernel recvdata: %s\n", writebuf);
    return n;
}

完整代码如下：

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

#define     CHRDEVBASE_MAJOR    200
#define     CHRDEVBASE_NAME     "chrdevbase"

static char readbuf[100];    /* 读缓冲区 */
static char writebuf[100];   /* 写缓冲区 */
static char kerneldata[] = {"kernel data!"};

#define min(a, b) ((a) < (b) ? (a) : (b))

static int chrdevbase_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

static int chrdevbase_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

static ssize_t chrdevbase_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    size_t n;

    if (*offt > 0)
        return 0;

    n = min(cnt, (size_t)sizeof(kerneldata));   // 注意限制长度

    if (copy_to_user(buf, kerneldata, n))
        return -EFAULT;

    *offt += n;
    printk("kernel senddata ok!\n");
    return n;
}

static ssize_t chrdevbase_write(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    size_t n = min(cnt, (size_t)sizeof(writebuf) - 1);

    if (copy_from_user(writebuf, buf, n))
        return -EFAULT;

    writebuf[n] = '\0';
    printk("kernel recvdata: %s\n", writebuf);
    return n;
}

static struct file_operations chrdevbase_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = chrdevbase_open,
    .release = chrdevbase_release,
    .write = chrdevbase_write,
    .read = chrdevbase_read,
};

static int __init chrdevbase_init(void)
{
    int retvalue  = 0;
    retvalue = register_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR,CHRDEVBASE_NAME,&chrdevbase_fops);
    if(retvalue < 0)
    {
        printk("chrdevbase driver register failed");
        return -1;
    }
    printk("chrdevbase_init()\r\n"); 
    return 0;
}

static void __exit chrdevbase_exit(void)
{
    unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR,CHRDEVBASE_NAME);
}
module_init(chrdevbase_init);
module_exit(chrdevbase_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("hcw");