linux字符设备驱动

1.字符设备驱动相关系统函数简介

1.1 container_of

1. /**
2. * container_of 通过一个结构体成员的指针，获取包含该成员的结构体的起始地址
3. * @ptr:        变量的指针
4. * @type:       指针指向的结构体类型
5. * @member:     结构体中的变量类型
6. *
7. */
8. #define container_of(ptr, type, member) ({              \
9.     void *__mptr = (void *)(ptr);                   \
10.     BUILD_BUG_ON_MSG(!__same_type(*(ptr), ((type *)0)->member) &&   \
11.                      !__same_type(*(ptr), void),            \
12.                      "pointer type mismatch in container_of"); \
13.     ((type *)(__mptr - offsetof(type, member))); })

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为了简化理解，可以将container_of函数理解为如下表示

1. #define container_of(ptr, type, member) \
2.     ((type *)((char *)(ptr) - offsetof(type, member)))

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该函数根据 结构体成员变量的指针，通过该变量相对于结构体的偏移，得到了该变量对应的结构体的指针。
这是一个非常灵活的用法，通过保存某个结构体变量的指针，可以通过该指针反向推出该结构体的指针。在后续案例中有详细解释。
1.2 register_chrdev_region

register_chrdev_region 是 Linux 内核中用于注册字符设备编号范围的函数。该函数为驱动程序预留一段连续的设备号（主设备号 + 起始次设备号），后续将字符设备（通过 cdev_add）绑定到这些设备号上，函数原型如下。

1. /**
2. * first：dev_t 类型，指定要注册的起始设备号。使用 MKDEV(major, minor) 宏生成
3. * count：需要注册的连续设备号数量（次设备号的范围）
4. * name：设备的名称，该名称会出现在 /proc/devices 文件中，用于标识该组设备号属于哪个驱动。
5. * 返回值: 成功返回0
6. *        参数无效返回     -EINVAL
7. *        设备号被占用返回 -EBUSY
8. */
9. int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, const char *name);

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1.3 cdev_init

struct cdev 是内核表示字符设备的对象，每个字符设备驱动都需要创建cdev 实例，并将其注册到内核
cdev_init 负责设置 cdev 的基本字段，为后续的 cdev_add 做准备

1. /*
2. * dev：指向要初始化的 struct cdev 结构体的指针。
3. *       该结构体可以由驱动静态分配 (kmalloc) ，也可以动态分配 (cdev_alloc)
4. * fops：指向 struct file_operations 结构体的指针
5. *       该结构体包含了设备支持的各种操作函数（如 open、read、write、ioctl 等）
6. */
7. void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
8. {
9.     memset(cdev, 0, sizeof *cdev);
10.     INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);
11.     kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);
12.     cdev->ops = fops;
13. }

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1.4 cdev_add

该函数建立了设备号与字符设备驱动的关联，使 VFS（虚拟文件系统）能够通过设备号找到对应的驱动程序，从而响应用户空间的打开、读写等操作

• 将 struct cdev 对象与设备号绑定，在内核的字符设备映射表中建立关联
  
• 将 cdev 对象加入内核的全局字符设备链表或哈希表，使 VFS 能够根据设备号找到对应的 cdev
  
• 激活设备：调用 cdev_add 后，该设备便可以被用户空间访问（需要使用mknod关联到/dev/mydevname）
  

1. /*
2. * p：指向 cdev_init() 已经初始化的 struct cdev 对象的指针。
3. * dev：分配给该设备的起始设备号，应该与 register_chrdev_region() 向内核申请的设备号位置一致
4. * count：与该设备关联的次设备号数量
5. * 返回值：成功 0
6.           参数无效    -EINVAL
7.           设备号被占用 -EBUSY （理论上在分配设备号时已经检查过，但这里仍可能发生，如动态添加时竞争）
8.           内存不足    -ENOMEM
9. */
10. int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);

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2. 使用字符设备驱动实现共享内存

下面是使用字符设备驱动实现共享内存的案例，用来快速熟悉驱动函数的使用方法，代码参考书籍为Linux设备驱动详解

1. #include <linux/init.h>
2. #include <linux/errno.h>
3. #include <linux/mm.h>
4. #include <linux/sched.h>
5. #include <linux/module.h>
6. #include <linux/ioctl.h>
7. #include <linux/io.h>
8. #include <linux/fs.h>
9. #include <linux/cdev.h>
10. #include <linux/uaccess.h>
11. #include <linux/slab.h>
12. <h1 id="define-globalmem_size1024">define GLOBALMEM_SIZE        1024</h1>
13. <h1 id="define-globalmem_magicm">define GLOBALMEM_MAGIC        'M'</h1>
14. <h1 id="define-mem_clear_ioglobalmem_magic-0">define MEM_CLEAR                _IO(GLOBALMEM_MAGIC, 0)</h1>
15. <p>struct globalmem_dev
    
17. {
    
19. // 字符设备
    
21. struct cdev m_cdev;
    
23. // 共享内存
    
25. unsigned char mem[GLOBALMEM_SIZE];
    
27. };</p>
28. <p>static int globalmem_major = 266;</p>
29. <p>// 存放两个字符设备私有数据
    
31. struct globalmem_dev* globalmem_devp;</p>
32. <p>/* user open fd <em>/
    
34. static int globalmem_open(struct inode</em> inode, struct file* filp) {</p>
35. [code]struct globalmem_dev* dev;
36. /* 下面是一种常用的区分次设备号的方法
37. * 通过 globalmem_init 初始化时传入不同的 cdev 指针实现区分 */
38. // inode 中保存的 i_cdev 指针是 globalmem_init 函数中传入的，globalmem_dev 结构体变量 m_cdev 的指针
39. // 所以通过 inode->i_cdev 指针，即 m_cdev 成员变量的指针，可以找到其对应的结构体指针
40. dev = container_of(inode->i_cdev, struct globalmem_dev, m_cdev);
42. // 将设备结构体指针传给文件私有数据指针，提供给其他函数调用时使用
43. filp->private_data = dev;
44. return 0;

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}
/* user release fd/
static int globalmem_release(struct inode inode, struct file* filp) {
return 0;
}
/* user read fd /
static ssize_t globalmem_read(struct file filp, char __user* buf, size_t count, loff_t* ppos) {
unsigned long p = ppos;
// 获得设备结构体的指针（这是通过open函数传入的指针，实现不同次设备使用不同的共享内存）
struct globalmem_dev dev = filp->private_data;

1. if(p >= GLOBALMEM_SIZE)
2.         return 0;
3. if(count > GLOBALMEM_SIZE - p)
4.         count = GLOBALMEM_SIZE - p;
6. copy_to_user(buf, (void*)(dev->mem + p), count);
7. *ppos = p + count;
9. return count;

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}
/* user write fd /
static ssize_t globalmem_write(struct file filp, const char __user* buf, size_t count, loff_t* ppos) {
unsigned long p = *ppos;

1. // 获得设备结构体的指针
2. struct globalmem_dev* dev = filp->private_data;       
4. if(p >= GLOBALMEM_SIZE)
5.         return 0;
6. if(count > GLOBALMEM_SIZE - p)
7.         count = GLOBALMEM_SIZE - p;
9. copy_from_user(dev->mem + p, buf, count);
10. *ppos = p + count;
11. return count;

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}
/* user lseek fd /
static loff_t globalmem_llseek(struct file filp, loff_t offset, int orig) {
loff_t ret;
switch(orig) {
// 从起始位置开始移动指针
case 0:
if(offset < 0) {
ret = -EINVAL;
break;
}
if((unsigned int)offset > GLOBALMEM_SIZE) {
ret = -EINVAL;
break;
}
filp->f_pos = (unsigned int)offset;
ret = filp->f_pos;
break;
// 从当前位置开始移动指针
case 1:
if((filp->f_pos + offset) > GLOBALMEM_SIZE) {
ret = -EINVAL;
break;
}
if((filp->f_pos + offset) < 0) {
ret = -EINVAL;
break;
}
filp->f_pos += offset;
ret = filp->f_pos;
break;
default:
ret = -EINVAL;
}
return ret;
}
/* user ioctl fd /
static int globalmem_ioctl(struct inode inodep, struct file* filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
// 获取设备结构体指针       
struct globalmem_dev* dev = filp->private_data;

1. switch(cmd) {
2. case MEM_CLEAR:
3.         memset(dev->mem, 0, GLOBALMEM_SIZE);
4.         break;
5. default:
6.         return -EINVAL;
7. }
8. return 0;

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}
static const struct file_operations globalmem_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = globalmem_open,
.release = globalmem_release,
.llseek = globalmem_llseek,
.read = globalmem_read,
.write = globalmem_write,
.unlocked_ioctl = globalmem_ioctl
};
/* 设备驱动模块insmod加载函数 */
static int globalmem_init(void) {
// 向 Linux 内核中注册字符设备编号范围
register_chrdev_region(MKDEV(globalmem_major, 0), 2, "globalmem");

1. // 为2个次设备以及共享内存分配内存
2. globalmem_devp = kmalloc(2 * sizeof(struct globalmem_dev), GFP_KERNEL);
3. memset(globalmem_devp, 0, 2 * sizeof(struct globalmem_dev));
5. // 初始化字符设备0的基本字段
6. cdev_init(&(globalmem_devp[0].m_cdev), &globalmem_fops);
7. globalmem_devp[0].m_cdev.owner = THIS_MODULE;
8. // 将主设备号globalmem_major次设备号0，与字符设备驱动的关联
9. cdev_add(&(globalmem_devp[0].m_cdev), MKDEV(globalmem_major, 0), 1);
11. // 初始化字符设备1的基本字段
12. cdev_init(&(globalmem_devp[1].m_cdev), &globalmem_fops);
13. globalmem_devp[1].m_cdev.owner = THIS_MODULE;
14. // 将主设备号globalmem_major次设备号1，与字符设备驱动的关联
15. cdev_add(&(globalmem_devp[1].m_cdev), MKDEV(globalmem_major, 1), 1);
16. return 0;

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}
static int globalmem_exit(void) {
// 注销cdev
cdev_del(&(globalmem_devp[0].m_cdev));
cdev_del(&(globalmem_devp[1].m_cdev));
// 释放设备结构体内存
kfree(globalmem_devp);       
// 释放设备号
dev_t devno = MKDEV(globalmem_major, 0);
unregister_chrdev_region(devno, 2);
}
MODULE_AUTHOR("cear");
MODULE_LICENSE("GPL");
module_param(globalmem_major, int, S_IRUGO);
module_init(globalmem_init);
module_exit(globalmem_exit);
[/code]
 

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