掌握Linux内核技能：创建你的第一个字符设备驱动

Linux字符设备驱动简介

在Linux系统中，设备驱动是操作系统的重要组成部分，负责在用户程序和硬件设备之间提供接口。设备驱动可以分为字符设备驱动和块设备驱动，本文将重点介绍字符设备驱动的基本概念和实现方法。

1. 字符设备驱动概念

字符设备是指那些以字符为单位进行数据传输的设备，例如键盘、串口和其它一些类似的设备。与之相对的是块设备（如硬盘驱动器），它以数据块为单位进行传输。

2. 字符设备文件和设备号

在Linux中，所有的设备都被抽象为文件，通过对文件的读写来操作设备。字符设备文件通常位于/dev目录下。每个设备文件都关联到一个唯一的设备号，设备号包括主设备号和次设备号。主设备号用于标识设备类型，次设备号用于标识同类设备中的不同设备。

3. 注册字符设备驱动

要在Linux内核中实现字符设备驱动，首先需要注册设备。以下是常用的注册和注销设备的函数：

• int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops);
• void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);

register_chrdev用于注册设备，它需要设备号、设备名称和一个指向file_operations结构体的指针。file_operations结构体包含了指向设备操作函数的指针。

4. file_operations结构体

file_operations是设备操作函数的集合，示例如下：

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 *);
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    // 更多操作...
};

要深入理解字符设备驱动的工作原理及其在Linux内核中的实现，我们需要通过一个具体的示例来展开详细讨论。在这个示例中，我们会创建一个简单的字符设备驱动并展示如何加载驱动模块、创建设备文件，并通过常规文件操作函数如open, read, write, 和 close 来测试设备驱动的功能。

5. 创建字符设备驱动

首先，我们需要编写字符设备驱动的代码。以下是一个简单的示例，该驱动仅实现了open, read, write, 和 close 方法：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>

#define DEVICE_NAME "simple_char_dev"
#define CLASS_NAME "simple_char"

static int majorNumber;
static struct class* charClass = NULL;
static struct cdev charCdev;

// Device open function
static int dev_open(struct inode *inodep, struct file *filep){
   printk(KERN_INFO "SimpleChar: Device has been opened\n");
   return 0;
}

// Device read function
static ssize_t dev_read(struct file *filep, char *buffer, size_t len, loff_t *offset){
   printk(KERN_INFO "SimpleChar: Device read\n");
   return 0; // Bytes read
}

// Device write function
static ssize_t dev_write(struct file *filep, const char *buffer, size_t len, loff_t *offset){
   printk(KERN_INFO "SimpleChar: Received %zu characters from the user\n", len);
   return len;
}

// Device close function
static int dev_close(struct inode *inodep, struct file *filep){
   printk(KERN_INFO "SimpleChar: Device successfully closed\n");
   return 0;
}

static struct file_operations fops =
{
   .open = dev_open,
   .read = dev_read,
   .write = dev_write,
   .release = dev_close,
};

static int __init chardev_init(void){
   printk(KERN_INFO "SimpleChar: Initializing the SimpleChar\n");

   // Dynamically allocate a major number
   majorNumber = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops);
   if (majorNumber<0){
      printk(KERN_ALERT "SimpleChar failed to register a major number\n");
      return majorNumber;
   }
   printk(KERN_INFO "SimpleChar: registered correctly with major number %d\n", majorNumber);

   // Register the device class
   charClass = class_create(THIS_MODULE, CLASS_NAME);
   if (IS_ERR(charClass)){
      unregister_chrdev(majorNumber, DEVICE_NAME);
      printk(KERN_ALERT "Failed to register device class\n");
      return PTR_ERR(charClass);
   }
   printk(KERN_INFO "SimpleChar: device class registered correctly\n");

   // Register the device driver
   if (IS_ERR(device_create(charClass, NULL, MKDEV(majorNumber, 0), NULL, DEVICE_NAME))){
      class_destroy(charClass);
      unregister_chrdev(majorNumber, DEVICE_NAME);
      printk(KERN_ALERT "Failed to create the device\n");
      return -1;
   }
   printk(KERN_INFO "SimpleChar: device class created correctly\n");
   return 0;
}

static void __exit chardev_exit(void){
   device_destroy(charClass, MKDEV(majorNumber, 0));
   class_unregister(charClass);
   class_destroy(charClass);
   unregister_chrdev(majorNumber, DEVICE_NAME);
   printk(KERN_INFO "SimpleChar: Goodbye from the LKM!\n");
}

module_init(chardev_init);
module_exit(chardev_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple Linux char driver");
MODULE_VERSION("0.1");

6. 加载驱动和创建设备文件

编译并加载上述模块到内核后，内核会为该设备分配一个主设备号。可以通过dmesg命令查看分配的主设备号。一旦获得该设备号，我们就可以使用mknod命令创建设备文件：

sudo mknod /dev/simple_char_dev c [majorNumber] 0

请将[majorNumber]替换为实际分配给你的设备的主设备号。

7. 测试设备驱动功能

现在，你可以通过常规文件操作函数来测试设备驱动的功能了。例如，使用以下命令：

• 打开设备文件：sudo cat /dev/simple_char_dev
• 写入设备文件：echo "Hello, device!" | sudo tee /dev/simple_char_dev
• 读取设备文件：sudo cat /dev/simple_char_dev
• 关闭设备文件：关闭文件操作是隐式执行的，由系统在cat命令完成后自动处理。

通过检查dmesg命令的输出，你可以看到设备驱动在每次文件操作时打印的消息，这证明了驱动的open, read, write, 和 close 方法被成功调用。

8. 结语

本文提供了一个关于如何开发、加载和测试Linux字符设备驱动的简单示例。虽然这个示例相对基础，但它为深入理解字符设备驱动的开发过程奠定了良好的基础。