字符设备驱动开发

1、字符设备驱动简介
　　字符设备是 Linux 驱动中最基本的一类设备驱动，字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的点灯、按键、 IIC、 SPI，LCD 等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。
　　在详细的学习字符设备驱动架构之前，我们先来简单的了解一下 Linux 下的应用程序是如何调用驱动程序的， Linux 应用程序对驱动程序的调用如图 40.1.1 所示：

　　在 Linux 中一切皆为文件，驱动加载成功以后会在“/dev”目录下生成一个相应的文件，应用程序通过对这个名为“/dev/xxx” (xxx 是具体的驱动文件名字)的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。比如现在有个叫做/dev/led 的驱动文件，此文件是 led 灯的驱动文件。应用程序使用 open 函数来打开文件/dev/led，使用完成以后使用 close 函数关闭/dev/led 这个文件。 open和 close 就是打开和关闭 led 驱动的函数，如果要点亮或关闭 led，那么就使用 write 函数来操作，也就是向此驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是要打开 led 的控制参数。如果要获取led 灯的状态，就用 read 函数从驱动中读取相应的状态。
　　应用程序运行在用户空间，而 Linux 驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。当我们在用户空间想要实现对内核的操作，比如使用 open 函数打开/dev/led 这个驱动，因为用户空间不能直接对内核进行操作，因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间“陷入” 到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。 open、 close、 write 和 read 等这些函数是由 C 库提供的，在 Linux 系统中，系统调用作为 C 库的一部分。当我们调用 open 函数的时候流程如图 40.1.2 所示：

　　其中关于 C 库以及如何通过系统调用“陷入” 到内核空间这个我们不用去管，我们重点关注的是应用程序和具体的驱动，应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数，比如应用程序中调用了 open 这个函数，那么在驱动程序中也得有一个名为 open 的函数。每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数，在 Linux 内核文件 include/linux/fs.h 中有个叫做 file_operations 的结构体，此结构体就是 Linux 内核驱动操作函数集合，内容如下所示：

示例代码 40.1.1 file_operations 结构体
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 *);
    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct*);
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsignedlong);
    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsignedlong);
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
    int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
    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 (*aio_fsync) (struct kiocb *, 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 *, structpipe_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_MMU
    unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
    #endif
};

　　简单介绍一下 file_operation 结构体中比较重要的、常用的函数：
　　　　owner指针拥有该结构体的模块的指针，一般设置为 THIS_MODULE。
　　　　llseek 函数用于修改文件当前的读写位置。
　　　　read 函数用于读取设备文件。
　　　　write 函数用于向设备文件写入(发送)数据。
　　　　poll 是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。
　　　　unlocked_ioctl 函数提供对于设备的控制功能，与应用程序中的 ioctl 函数对应。
　　　　compat_ioctl 函数与 unlocked_ioctl 函数功能一样，区别在于在 64 位系统上，32 位的应用程序调用将会使用此函数。在 32 位的系统上运行 32 位的应用程序调用的是unlocked_ioctl。
　　　　mmap 函数用于将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间)，一般帧缓冲设备会使用此函数，比如 LCD 驱动的显存，将帧缓冲(LCD 显存)映射到用户空间中以后应用程序就可以直接操作显存了，这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。
　　　　open 函数用于打开设备文件。
　　　　release 函数用于释放(关闭)设备文件，与应用程序中的 close 函数对应。
　　　　fasync 函数用于刷新待处理的数据，用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。
　　　　aio_fsync 函数与 fasync 函数的功能类似，只是 aio_fsync 是异步刷新待处理的数据。
　　在字符设备驱动开发中最常用的就是上面这些函数，关于其他的函数大家可以查阅相关文档。我们在字符设备驱动开发中最主要的工作就是实现上面这些函数，不一定全部都要实现，但是像 open、 release、 write、 read 等都是需要实现的，当然了，具体需要实现哪些函数还是要看具体的驱动要求。

2、字符设备驱动开发步骤

　　在 Linux 驱动开发中我们需要按照其规定的框架来编写驱动，所以说学 Linux 驱动开发重点是学习其驱动框架。
　　2.1、驱动模块的加载和卸载

　　Linux 驱动有两种运行方式，第一种就是将驱动编译进 Linux 内核中，这样当 Linux 内核启动的时候就会自动运行驱动程序。第二种就是将驱动编译成模块(Linux 下模块扩展名为.ko)，在Linux 内核启动以后使用“insmod”命令加载驱动模块。在调试驱动的时候一般都选择将其编译为模块，这样我们修改驱动以后只需要编译一下驱动代码即可，不需要编译整个 Linux 代码。而且在调试的时候只需要加载或者卸载驱动模块即可，不需要重启整个系统。总之，将驱动编译为模块最大的好处就是方便开发，当驱动开发完成，确定没有问题以后就可以将驱动编译进Linux 内核中，当然也可以不编译进 Linux 内核中，具体看自己的需求。
　　模块有加载和卸载两种操作，我们在编写驱动的时候需要注册这两种操作函数，模块的加载和卸载注册函数如下：

module_init(xxx_init); //注册模块加载函数
module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数

　　module_init 函数用来向 Linux 内核注册一个模块加载函数，参数 xxx_init 就是需要注册的具体函数，当使用“insmod”命令加载驱动的时候， xxx_init 这个函数就会被调用。

　　module_exit()函数用来向 Linux 内核注册一个模块卸载函数，参数 xxx_exit 就是需要注册的具体函数，当使用“rmmod”命令卸载具体驱动的时候 xxx_exit 函数就会被调用。

　　字符设备驱动模块加载和卸载模板如下所示：

/* 驱动入口函数 */
static int __init xxx_init(void)
{
    /* 入口函数具体内容 */
    return 0;
}

/* 驱动出口函数 */
static void __exit xxx_exit(void)
{
     /* 出口函数具体内容 */
}

/* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);

　　定义了个名为 xxx_init 的驱动入口函数，并且使用了“__init”来修饰。
　　定义了个名为 xxx_exit 的驱动出口函数，并且使用了“__exit”来修饰。
　　调用函数 module_init 来声明 xxx_init 为驱动入口函数，当加载驱动的时候 xxx_init函数就会被调用。
　　调用函数module_exit来声明xxx_exit为驱动出口函数，当卸载驱动的时候xxx_exit函数就会被调用。

　　驱动编译完成以后扩展名为.ko，有两种命令可以加载驱动模块： insmod和modprobe， insmod是最简单的模块加载命令，此命令用于加载指定的.ko 模块，比如加载 drv.ko 这个驱动模块，命令如下：

insmod drv.ko

　　insmod 命令不能解决模块的依赖关系，比如 drv.ko 依赖 first.ko 这个模块，就必须先使用insmod 命令加载 first.ko 这个模块，然后再加载 drv.ko 这个模块。但是 modprobe 就不会存在这个问题， modprobe 会分析模块的依赖关系，然后会将所有的依赖模块都加载到内核中，因此modprobe 命令相比 insmod 要智能一些。 modprobe 命令主要智能在提供了模块的依赖性分析、错误检查、错误报告等功能，推荐使用 modprobe 命令来加载驱动。 modprobe 命令默认会去/lib/modules/<kernel-version>目录中查找模块，比如本书使用的 Linux kernel 的版本号为 4.1.15，因此 modprobe 命令默认会到/lib/modules/4.1.15 这个目录中查找相应的驱动模块，一般自己制作的根文件系统中是不会有这个目录的，所以需要自己手动创建。
　　驱动模块的卸载使用命令“rmmod”即可，比如要卸载 drv.ko，使用如下命令即可：

rmmod drv.ko

　　也可以使用“modprobe -r”命令卸载驱动，比如要卸载 drv.ko，命令如下：

modprobe -r drv.ko

　　使用 modprobe 命令可以卸载掉驱动模块所依赖的其他模块，前提是这些依赖模块已经没有被其他模块所使用，否则就不能使用 modprobe 来卸载驱动模块。所以对于模块的卸载，还是推荐使用 rmmod 命令。