Linux--内核驱动框架（以字符设备驱动为例）

下面将介绍一个简单的Linux内核驱动程序（部分），用于处理一个假设的字符设备（鼠标、键盘、串口、LED...），具体介绍如下：

1 头文件导入

#include <linux/fs.h>         // 用于声明 file_operations 结构体和其他文件系统相关函数。
#include <linux/module.h>     // 用于声明 module_init 和 module_exit 宏，并定义模块相关的功能。
#include <linux/init.h>       // 用于声明 __init 和 __exit 宏。
#include <linux/device.h>     // 用于声明 class 和 device 相关的结构体和函数。
#include <linux/uaccess.h>    // 用于处理用户空间和内核空间之间的数据传输（如 copy_from_user）。
#include <linux/types.h>      // 用于定义 dev_t 类型，它表示设备号。
#include <asm/io.h>           // 用于声明 ioremap 和 iounmap 函数。

这些头文件提供了内核编程所需的基础功能，例如设备文件操作、内核模块初始化和退出、与用户空间进行交互等。

2 全局变量和宏定义

1）'pin4'为假设的设备，首先创建设备类'pin4_class'和设备文件'pin4_class_dev'，用于在'/dev'目录下创建设备节点。

static struct class *pin4_class;  
static struct device *pin4_class_dev;

2）定义设备号，包括主设备号（标识设备类型）及次设备号（标识设备实例），同时定义设备名称。

static dev_t devno;          // 设备号，用于标识内核中的设备。
static int major = 231;      // 主设备号231是为这个驱动手动分配的。
static int minor = 0;        // 次设备号。
static char *module_name = "pin4";  // 模块名称，用于标识和注册这个驱动模块。

3 设备操作函数

3.1 打开操作

// 打开设备文件时调用
static int pin4_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("pin4_open\n");  // 使用内核日志系统打印消息，类似于用户态的 printf。
    return 0;
}

当用户空间程序通过'open()'调用打开设备文件时，内核会调用该函数。返回值0表示设备文件被正常打开，如果返回一个负值，则打开失败。

'struct inode *inode'：指向设备文件的inode结构体，inode是文件在文件系统中的抽象表示，包含文件的元数据（权限、类型、大小...）。对于字符设备来说，该参数可以用来获取设备号；
'struct file *file'：指向代表打开文件的结构体，包含文件的当前状态（文件指针、访问模式...）。

3.2 写入操作

// 写入设备文件时调用
static ssize_t pin4_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    printk("pin4_write\n");  // 打印写操作的日志消息。
    return 0;
}

该函数在数据从用户空间传递到内核空间时被调用，通常用于处理写操作，将数据写入设备或存储在驱动程序中。

'struct file *file'：指向代表打开文件的结构体；
'const char __user *buf'：指向用户空间缓冲区的指针，缓冲区中包含了用户程序传递的数据；
'size_t count'：表示用户空间缓冲区'buf'的大小（以字节为单位），即写入的数据的字节数，驱动程序需要根据这个值来处理要写入的数据长度；
'loff_t *ppos'：指向文件位置指针的指针，通常用于标记文件当前的偏移量。

4 设备文件操作结构体

static struct file_operations pin4_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,   
    .open  = pin4_open,     
    .write = pin4_write,    
};

THIS_MODULE：表示这个模块的所有者是当前模块，确保在模块被卸载前，不会被意外地引用或卸载；
pin4_open：将 pin4_open 函数指针赋值给 open 成员，用于处理设备文件的打开操作；
pin4_write：将 pin4_write 函数指针赋值给 write 成员，用于处理设备文件的写操作。

结构体'pin4_fops'包含了字符设备的各种操作，内核会通过这个结构体来调用相应的设备操作函数。

5 模块初始化函数

int __init pin4_drv_init(void)
{
    int ret;
    devno = MKDEV(major, minor);  // 生成设备号，使用主设备号和次设备号。
    ret = register_chrdev(major, module_name, &pin4_fops);  
    // 注册字符设备，将设备号和操作函数与内核关联起来，内核可以识别这个设备并知道如何处理它。

    pin4_class = class_create(THIS_MODULE, "myfirstdemo"); 
    // 创建一个类，在 `/sys/class` 目录下生成一个对应的设备类。

    pin4_class_dev = device_create(pin4_class, NULL, devno, NULL, module_name); 
    // 创建设备文件，实际在 `/dev` 目录下创建对应的设备节点。

    return 0;  // 返回 0 表示初始化成功。
}

函数头部

int __init pin4_drv_init(void)

'_init'是一个内核宏，用于告诉编译器该函数仅在模块初始化时使用，'pin4_drv_init'是驱动的初始化函数名称。

变量声明

int ret;

用于存储函数调用的返回值，以检查操作是否成功，这里主要用于检测register_chrdev函数的返回状态。

生成设备号

devno = MKDEV(major, minor);

MKDEV(major, minor)是一个内核宏，用于生成一个设备号（'dev_t'类型），设备号用于唯一标识内核中的某个设备。

注册字符设备

ret = register_chrdev(major, module_name, &pin4_fops);

该函数用于注册字符设备驱动程序，告诉内核如何处理与该设备相关的操作（例如打开、关闭、读写等）。major为主设备号，设备名称module_name用于标识这个设备，&pin4_fops是指向file_operations结构体的指针，结构体中包含了操作该字符设备的函数指针（如open、read、write...），内核将通过这些函数指针来操作设备。

创建设备类

pin4_class = class_create(THIS_MODULE, "myfirstdemo");

函数class_create用于创建一个设备类，在'/sys/class'目录下生成一个对应的设备类，这个类的主要作用是为设备文件创建一个逻辑分组，便于管理和分类。THIS_MODULE表示当前模块的指针，"myfirstdemo"为类的名称。

创建设备文件

pin4_class_dev = device_create(pin4_class, NULL, devno, NULL, module_name);

函数device_create用于创建设备文件，在'/dev'目录下生成一个设备节点，用户可以通过这个节点实现与设备的交互。第一个NULL参数为指向父设备的指针（此处没有父设备），第二个NULL参数为私有数据指针。

6 模块清理函数

void __exit pin4_drv_exit(void)
{
    device_destroy(pin4_class, devno);  // 删除设备文件。
    class_destroy(pin4_class);          // 删除设备类。
    unregister_chrdev(major, module_name);  // 取消字符设备的注册。
}

其中unregister_chrdev为取消字符设备的注册，释放设备号，允许其他模块使用这个设备号。

7 模块入口和出口声明

module_init(pin4_drv_init);  
module_exit(pin4_drv_exit);  
MODULE_LICENSE("GPL v2");

module_init定义模块的初始化入口，内核加载模块时会调用模块的初始化函数；
module_exit定义模块的清理出口，内核卸载模块时会调用模块的清理函数函数；
MODULE_LICENSE声明该模块使用 GPLv2 许可证，确保模块符合开源要求，并可以安全地被内核加载。

总结

该驱动程序是一个简单的字符设备驱动，主要用来展示如何在 Linux 内核中创建字符设备，并处理基本的文件操作（打开和写入）。程序在加载时会创建一个名为'/dev/pin4'的设备文件，用户可以通过文件操作访问这个设备。驱动程序还展示了如何注册和注销设备、创建和销毁设备文件，以及处理用户态和内核态之间的简单交互。

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