一、字符设备驱动概述
字符设备就是指每个读/写操作对应一个字符或者字节的设备,而字符设备驱动程序就是用来控制这些设备的程序。在Linux系统中,字符设备驱动程序必须遵循一些规则,比如它们必须支持read和write函数,它们必须向用户空间报告设备的状态等等。
字符设备驱动程序通常被写成一个内核模块,它们可以被插入到系统中,也可以随时从系统中卸载。当设备被插入到系统中时,内核会首先调用字符设备驱动程序中的probe函数,这个函数会初始化整个设备,并且把设备与对应的驱动程序联系在一起。然后,当用户空间有操作请求时,内核会调用驱动程序中的相应函数来完成这些操作。
二、字符设备驱动实现
在Linux系统中,字符设备驱动程序的实现通常需要完成以下工作:
1.设备注册和初始化
设备注册和初始化是字符设备驱动程序中最基本的工作。当设备被插入到系统中时,内核会自动调用驱动程序中的probe函数,这个函数会完成设备的初始化工作,包括设备的物理地址、中断向量等等。
下面是设备注册和初始化的示例代码:
static int __init mydrv_init(void) { int ret; // 注册一个字符设备驱动程序 ret = register_chrdev_region(devno, 1, "mydrv"); if (ret < 0) { pr_err("register_chrdev_region failed\n"); return ret; } //分配设备结构体 my_device = kzalloc(sizeof(struct my_device), GFP_KERNEL); if (!my_device) { pr_err("kzalloc failed\n"); unregister_chrdev_region(devno, 1); return -ENOMEM; } //初始化my_device结构体 //... //创建设备文件 my_device->dev = device_create(my_class, NULL, devno, NULL, "mydrv"); if (IS_ERR(my_device->dev)) { pr_err("device_create failed\n"); kfree(my_device); unregister_chrdev_region(devno, 1); return PTR_ERR(my_device->dev); } return 0; }
2.设备打开和关闭
响应用户的open和close操作是字符设备驱动程序的另外一个常见工作。open操作用来打开设备,close操作用来关闭设备。在驱动程序中,可以使用open()和release()函数来响应这两个操作。
下面是设备打开和关闭的示例代码:
static int my_drv_open(struct inode *inode, struct file *filp) { struct my_device *pdev = container_of(inode->i_cdev, struct my_device, cdev); filp->private_data = pdev; //... return 0; } static int my_drv_release(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; }
3.设备读写操作
数据的读写是字符设备驱动程序中最常见的操作之一。在Linux系统中,可以使用read()和write()函数来实现数据传输。当用户空间的程序调用read()函数时,内核会调用驱动程序中的read()函数来读取数据,当用户空间的程序调用write()函数时,内核会调用驱动程序中的write()函数来写入数据。
下面是设备读写操作的示例代码:
static ssize_t my_drv_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) { struct my_device *pdev = filp->private_data; ssize_t ret = 0; //... return ret; } static ssize_t my_drv_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) { struct my_device *pdev = filp->private_data; ssize_t ret = 0; //... return ret; }
三、字符设备驱动的应用
字符设备驱动程序被广泛应用于各种设备中,比如串口、并口、键盘、鼠标等等。通过编写字符设备驱动程序,我们可以更好地掌控设备,实现更加灵活和高效的设备操作。下面是一个基于字符设备驱动程序的LED驱动示例:
static ssize_t myled_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos) { unsigned char kbuf[1]; unsigned int val; int ret; struct gpio_chip *gpio_chip = &mygpio_chip; ret = copy_from_user(kbuf, buf, size); if (ret < 0) { pr_warn("failed to copy from user, ret=%d\n", ret); return ret; } if (kbuf[0] == '0') val = 0; else val = 1; gpio_chip->write_reg(gpio_chip, val); return size; } static const struct file_operations myled_fops = { .owner = THIS_MODULE, .write = myled_write, }; static struct miscdevice myled_miscdev = { .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR, .name = "myled", .fops = &myled_fops, }; static int __init my_led_init(void) { int ret; init_gpio_chip(&mygpio_chip); ret = misc_register(&myled_miscdev); if (ret) { pr_err("unable to register misc device\n"); return ret; } return 0; }
四、字符设备驱动的调试
在编写和调试字符设备驱动程序时,我们常常需要使用printk来输出各种调试信息。下面是一些常用的调试方法:
1.使用printk输出调试信息
在Linux系统中,我们可以使用printk函数来输出各种调试信息。printk函数可以将调试信息输出到/var/log/messages文件中,并且可以在dmesg命令中查看。
static ssize_t my_drv_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset) { struct my_device *pdev = filp->private_data; ssize_t ret = 0; //打印调试信息 pr_info("my_drv_read called\n"); //... return ret; }
2.使用gdb调试
在Linux系统中,我们可以使用gdb调试器来调试驱动程序。在驱动程序的Makefile中,我们可以添加以下选项来启用gdb调试:
obj-m += my_drv.o EXTRA_CFLAGS += -g -O0
然后,在编译完驱动程序后,我们可以使用以下命令来加载驱动程序:
sudo insmod my_drv.ko sudo gdb /usr/src/linux/vmlinux (gdb) target remote localhost:1234 (gdb) b my_drv_read (gdb) c
五、小结
本文详细介绍了字符设备驱动程序的概念和实现方法,并且通过一个LED驱动的示例来展示了字符设备驱动程序的应用。此外,本文还提供了一些常用的调试方法,帮助我们更好地编写和调试字符设备驱动程序。