一文秒懂|Linux字符设备驱动

news/2024/4/17 18:04:22
img
我的圈子: 高级工程师聚集地
我是董哥,高级嵌入式软件开发工程师,从事嵌入式Linux驱动开发和系统开发,曾就职于世界500强公司!
创作理念:专注分享高质量嵌入式文章,让大家读有所得!
img

文章目录

  • 1、前言
  • 2、关键数据结构
    • 2.1 cdev
    • 2.2 file_operations
    • 2.3 dev_t
  • 3、数据结构之间关系
  • 4、字符设备驱动整体架构
    • 4.1 加载与卸载函数
    • 4.2 设备号管理
      • 4.2.1 设备号的概念
      • 4.2.2 设备号的分配
      • 4.2.3 设备号的注销
      • 4.2.4 设备号的获取
      • 4.2.4 通用代码实现
    • 4.3 字符设备的管理
      • 4.3.1、字符设备初始化
      • 4.3.2、字符设备注册
      • 4.3.3、字符设备注销
    • 4.4 文件操作接口的实现
  • 5、总结

image-20231123091238538

1、前言

众所周知,Linux内核主要包括三种驱动模型,字符设备驱动,块设备驱动以及网络设备驱动。

其中,Linux字符设备驱动,可以说是Linux驱动开发中最常见的一种驱动模型。

我们该系列文章,主要为了帮助大家快速入门Linux驱动开发,该篇主要来了解一些字符设备驱动的框架和机制。

系列文章基于Kernel 4.19

 

2、关键数据结构

2.1 cdev

struct cdev {struct kobject kobj;struct module *owner;const struct file_operations *ops;struct list_head list;dev_t dev;unsigned int count;
} __randomize_layout;

结构体名称cdev

文件位置include/linux/cdev.h

主要作用cdev可以理解为char device,用来抽象一个字符设备。

核心成员及含义

  • kobj:表示一个内核对象。
  • owner:指向该模块的指针
  • ops:指向文件操作的指针,包括openreadwrite等操作接口
  • list:用于将该设备加入到内核模块链表中
  • dev:设备号,由主设备号和次设备号构成
  • count:表示有多少个同类型设备,也间接表示设备号的范围
  • __randomize_layout:一个编译器指令,用于随机化结构体的布局,以增加安全性。

 

2.2 file_operations

struct file_operations {struct module *owner;loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);unsigned long mmap_supported_flags;int (*open) (struct inode *, struct file *);int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);int (*release) (struct inode *, struct file *);int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);int (*fasync) (int, struct file *, int);int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);int (*check_flags)(int);int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,loff_t len);void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMUunsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endifssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,loff_t, size_t, unsigned int);int (*clone_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t,u64);int (*dedupe_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t,u64);int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
} __randomize_layout;

结构体名称file_operations

文件位置include/linux/fs.h

主要作用:正如其名,主要用来描述文件操作的各种接口,Linux一切接文件的思想,内核想要操作哪个文件,都需要通过这些接口来实现。

核心成员及含义

  • open:打开文件的函数
  • read:读取文件的函数。
  • write:写入文件的函数。
  • release:关闭文件的函数。
  • flush:刷新文件的函数,通常在关闭文件时调用。
  • llseek:改变文件读写指针位置的函数。
  • fsync:将文件数据同步写入磁盘的函数。
  • poll:询问文件是否可被非阻塞读写

 

2.3 dev_t

typedef u32 __kernel_dev_t;typedef __kernel_dev_t		dev_t;

类型名称dev_t

文件位置include/linux/types.h

主要作用:表示字符设备对应的设备号,其中包括主设备号和次设备号。

 

3、数据结构之间关系

image-20231123085448145

上图绘制是对字符设备驱动程序的数据结构以及API的关系图,

有需要原始文件,可在公~号【嵌入式艺术】获取。

 

4、字符设备驱动整体架构

4.1 加载与卸载函数

驱动首先实现的就是加载和卸载函数,也是驱动程序的入口函数。

我们一般这么定义驱动的加载卸载函数:

static int __init xxx_init(void)
{}static void __exit xxx_exit(void)
{}module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);

这段代码就是实现一个通用驱动的加载与卸载,关于module_initmodule_exit的实现机制,可以查看之前总结文章。

 

4.2 设备号管理

4.2.1 设备号的概念

每一类字符设备都有一个唯一的设备号,其中设备号又分为主设备号和次设备号,那么这两个分别作用是什么呢?

  • 主设备号:用于标识设备的类型,
  • 次设备号:用于区分同类型的不同设备

简单来说,主设备号用于区分是IIC设备还是SPI设备,而次设备号用于区分IIC设备下,具体哪一个设备,是MPU6050还是EEPROM

 

4.2.2 设备号的分配

了解了设备号的概念,Linux中设备号有那么多,那么我们该如何去使用正确的设备号呢?

设备号的分配方式有两种,一种是动态分配,另一种是静态分配,也可以理解为一种是内核自动分配,一种是手动分配。

静态分配函数

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
  • from:表示已知的一个设备号
  • count:表示连续设备编号的个数,(同类型的设备有多少个)
  • name:表示设备或者驱动的名称

函数作用:以from设备号开始,连续分配count个同类型的设备号

 

动态分配函数

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);
  • dev:设备号的指针,用于存放分配的设备号的值
  • baseminor:次设备号开始分配的起始值
  • count:表示连续设备编号的个数,(同类型的设备有多少个)
  • name:表示设备或者驱动的名称

函数作用:从baseminor次设备号开始,连续分配count个同类型的设备号,并自动分配一个主设备号,将主、次组成的设备号信息赋值给*dev

 

这两个函数最大的区别在于

  • register_chrdev_region:调用前,已预先定义好了主设备号和次设备号,调用该接口后,会将自定义的设备号登记加入子系统中,方便系统追踪系统设备号的使用情况。
  • alloc_chrdev_region:调用前,未定义主设备号和次设备号;调用后,主设备号以0来表示,以自动分配,并且将自动分配的设备号,同样加入到子系统中,方便系统追踪系统设备号的使用情况。

 

这两个函数的共同点在于

系统维护了一个数组列表,用来登记所有的已使用的设备号信息,这两个接口归根到底也是将其设备号信息,登记到系统维护的设备号列表中,以免后续冲突使用。

Linux中,我们可以通过cat /proc/devices命令,查看所有i登记的设备号列表。

 

后面有时间,我们可以详细聊设备号的自动分配机制,管理机制。

 

4.2.3 设备号的注销

设备号作为一种系统资源,当所对应的设备卸载时,当然也要将其所占用的设备号归还给系统,无论时静态分配,还是动态分配,最终都是调用下面函数来注销的。

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
  • from:表示已知的一个设备号
  • count:表示连续设备编号的个数,(同类型的设备有多少个)

函数作用:要注销from主设备号下的连续count个设备

 

4.2.4 设备号的获取

设备号的管理很简单,在关键数据结构中,我们看到设备号的类型是dev_t,也就是u32类型表示的一个数值。

其中主设备号和次设备号的分界线,由MINORBITS宏定义指定:

#define MINORBITS	20

也就是主设备号占用高12bit,次设备号占用低20bit

并且,内核还提供了相关API接口,来获取主设备号和次设备号,以及生成设备号的接口,如下:

#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))

以上,通过移位操作,来实现主次设备号的获取。

 

4.2.4 通用代码实现

#define CUSTOM_DEVICE_NUM 0
#define DEVICE_NUM 1
#device DEVICE_NAME "XXXXXX"
static dev_t global_custom_major = CUSTOM_DEVICE_NUM;static int __init xxx_init(void)
{dev_t custom_device_number= MKDEV(global_custom_major, 0);	//	custom device number/* device number register*/if (global_custom_major) {ret = register_chrdev_region(custom_device_number, DEVICE_NUM, DEVICE_NAME);} else {ret = alloc_chrdev_region(&custom_device_number, 0, DEVICE_NUM, DEVICE_NAME);global_custom_major = MAJOR(custom_device_number);}
}static void __exit xxx_exit(void)
{unregister_chrdev_region(MKDEV(global_mem_major, 0), DEVICE_NUM);
}module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);

该函数实现了设备号的分配,如果主设备号为0,则采用动态配分的方式,否则采用静态分配的方式。

 

更多干货可见:高级工程师聚集地,助力大家更上一层楼!

 

4.3 字符设备的管理

了解完设备号的管理之后,我们来看下字符设备是如何管理的。

4.3.1、字符设备初始化

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops);
  • cdev:一个字符设备对象,也就是我们创建好的字符设备
  • fops:该字符设备的文件处理接口

函数作用:初始化一个字符设备,并且将所对应的文件处理指针与字符设备绑定起来。

 

4.3.2、字符设备注册

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);
  • p:一个字符设备指针,只想待添加的字符设备对象
  • dev:该字符设备所负责的第一个设备编号
  • count:该类型设备的个数

函数作用:添加一个字符设备驱动到Linux系统中。

 

4.3.3、字符设备注销

void cdev_del(struct cdev *p);
  • p:指向字符设备对象的指针

函数作用:从系统中移除该字符设备驱动

 

4.4 文件操作接口的实现

因为在Linux中,一切皆文件的思想,所以每一个字符设备,也都有一个文件节点来对应。

我们在初始化字符设备的时候,会将struct file_operations的对象与字符设备进行绑定,其作用是来处理该字符设备的openreadwrite等操作。

我们要做的就是去实现我们需要的函数接口,如:

static const struct file_operations global_mem_fops = {.owner = THIS_MODULE,.llseek = global_mem_llseek,.read = global_mem_read,.write = global_mem_write,.unlocked_ioctl = global_mem_ioctl,.open = global_mem_open,.release = global_mem_release,
};

至此,我们一个基本的字符设备驱动程序的框架就基本了然于胸了

 

5、总结

本篇文章,旨在通俗易懂的讲解:

  • 字符设备驱动相关数据结构
  • 数据结构关系图
  • 核心API接口
  • 字符设备驱动整体框架

希望对大家有所帮助。

img
欢迎关注 公号&星球【嵌入式艺术】,董哥原创!

https://www.xjx100.cn/news/3118975.html

相关文章

制作心理咨询小程序的详细指南

随着科技的的发展&#xff0c;小程序已经成为了人们日常生活中不可或缺的一部分。特别是在心理咨询这个领域&#xff0c;小程序可以提供一个更为便捷、高效的服务平台。本文将通过乔拓云平台为例&#xff0c;详细介绍如何制作一个心理咨询小程序。 首先&#xff0c;我们需要注册…

c 语言常见的易错题分析

在C语言中&#xff0c;有一些常见的易错题需要特别注意。以下是一些例子&#xff1a; 1&#xff0c;数组越界&#xff1a;在C语言中&#xff0c;数组的索引是从0开始的。因此&#xff0c;一个长度为n的数组的索引范围应该是0到n-1。如果尝试访问超出这个范围的索引&#xff0c…

代码随想录 435. 无重叠区间

题目 给定一个区间的集合 intervals &#xff0c;其中 intervals[i] [starti, endi] 。返回 需要移除区间的最小数量&#xff0c;使剩余区间互不重叠 。 示例 1: 输入: intervals [[1,2],[2,3],[3,4],[1,3]] 输出: 1 解释: 移除 [1,3] 后&#xff0c;剩下的区间没有重叠。 示…

【Openstack Train安装】五、Memcached/Etcd安装

本文介绍Memcached/Etcd安装步骤&#xff0c;Memcached/Etcd仅需在控制节点安装。 在按照本教程安装之前&#xff0c;请确保完成以下配置&#xff1a; 【Openstack Train安装】一、虚拟机创建 【Openstack Train安装】二、NTP安装 【Openstack Train安装】三、openstack安装…

让 OpenAI GPT4 出 10 道题测试其他开源大语言模型

让 OpenAI GPT4 出 10 道题测试其他开源大语言模型 1. 中文题目及答案2. 日文题目及答案3. 英文题目及答案 1. 中文题目及答案 数学题&#xff1a;一个矩形的长是10厘米&#xff0c;宽是5厘米&#xff0c;求它的面积。 答案&#xff1a;面积 长 x 宽 10厘米 x 5厘米 50平方厘…

YOLOv5原创改进:全维动态卷积再改进,GCODConv

目录 一、原理 网络结构 二、代码 三、应用到YOLOv5中 一、原理

VUE本地idea启动

安装yarn&#xff08;也可以用npm&#xff09; 问题&#xff1a;yarn : 无法加载文件 C:\Users\xx/yarn.ps1&#xff0c;因为在此系统上禁止运行脚本 解决办法&#xff1a;管理员身份运行【 PowerShell】&#xff0c;然后执行【Set-ExecutionPolicy RemoteSigned】&#xff0c…

Echarts大屏可视化_02 球体模块制作

继续跟着b站大佬pink老师学大屏可视化 球体模块制作 1.球体模块布局 HTML <div class"column"><div class"no"><div class"no-hd"><ul><li>125811</li><li>104563</li></ul></div&g…