linux简单字符设备驱动

          我们都知道，在linux下，是以访问设备文件的方式访问字符设备和块设备驱动的。在字符设备驱动中，有三种重要的数据结构：file_operations结构、file结构、inode结构。

          file_operations：结构将对驱动程序的操作连接到设备号。这个结构中的每个字段都必须指向驱动程序中实现特定操作的函数，对于不支持的操作，对应的字段可以置为NULL值。file_operations采用标准C的标记化结构初始化语法，可以对结构程序重新排列。

          file结构：一个file结构对应一个打开的文件，由内核在open时候创建，直到最后的close函数，在文件的所有实例都被关闭之后，内核会释放这个数据结构。

          inode结构：内核采用inode结构在内部表示文件，一个文件对应一个inode结构。用于记录文件的物理信息。

          字符设备驱动的并发与竞态：在设计设备驱动的时候一定要考虑并发于竞态，所谓并发就是驱动程序被多个执行单元同时执行，所谓竞态就是多个执行单元访问共享资源。解决并发与竞态的方法就是加锁。

          下面以程序为例来说明一个简单的字符设备驱动。

#include <linux/init.h>    /*must*/#include <linux/module.h>  /*must*/#include <linux/fs.h>      /*must*/#include <linux/kernel.h> /*printk()*/#include <linux/errno.h> /*errno marks*/#include <linux/types.h> /*dev_t MAJOR、MINOR*/#include <linux/cdev.h>  /*strcut cdev*/#include <linux/stat.h>  /*S_IRUGO*/#include <linux/moduleparam.h> /*module_param*/#include <asm/uaccess.h> /*copy_to_user()、copy_from_user()*/#define MEMDEV_MAJOR251  /*主设备号*/#define MEMDEV_NR_DEVS4    /*设备个数*/#define MEMDEV_SIZE4096 /*每个设备占用内存大小*/struct mem_dev                                     {                                                          char *data;//定义存放每个设备首地址的指针                        unsigned long size; //定义每个设备结构体的长度  struct cdevcdev; //定义cdev结构  struct semaphore sem;  //定义信号量};struct mem_dev*mem_devp;static int mem_major = MEMDEV_MAJOR;static int mem_minor = 0;module_param(mem_major, int, S_IRUGO);/*命令行传参*/module_param(mem_minor, int, S_IRUGO);/*命令行传参*/int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp){    struct mem_dev *dev;        /*获取次设备号*/    int num = MINOR(inode->i_rdev);//inode中的i_rdev存储设备号    if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)     //此设备号是否有效            return -ENODEV;    dev = &mem_devp[num];          //这里是将用户空间内存给文件私有指针        /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/    filp->private_data = dev;      //驱动程序不能直接操作用户空间，可以透过私有指针存储用户空间数据        return 0; }int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp){  return 0;}static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos){  unsigned long p =  *ppos;  unsigned int count = size;  int ret = 0;  struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/  /* 获取信号量 */  if(down_interruptible(&dev->sem))//如果获取不到，则进入睡眠状态，睡眠状态可被中断打断    return -ERESTARTSYS;  /*判断读位置是否有效*/  if (p >= MEMDEV_SIZE)    return 0;  if (count > MEMDEV_SIZE - p)    count = MEMDEV_SIZE - p;  /*读数据到用户空间*/  if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))  {    ret =  - EFAULT;  }  else  {    *ppos += count;    ret = count;        printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, (int)p);  }  up(&dev->sem);//释放信号量  return ret;}/*写函数*/static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos){  unsigned long p =  *ppos;  unsigned int count = size;  int ret = 0;  struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/   /* 获取信号量 */  if(down_interruptible(&dev->sem))//如果获取不到，则进入睡眠状态，睡眠状态可被中断打断    return -ERESTARTSYS;  /*分析和获取有效的写长度*/  if (p >= MEMDEV_SIZE)    return 0;  if (count > MEMDEV_SIZE - p)    count = MEMDEV_SIZE - p;      /*从用户空间写入数据*/  if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))    ret =  - EFAULT;  else  {    *ppos += count;    ret = count;        printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, (int)p);  }  up(&dev->sem);//释放信号量  return ret;}/* seek文件定位函数 */static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence){     loff_t newpos;    switch(whence) {      case 0: /* SEEK_SET */        newpos = offset;        break;      case 1: /* SEEK_CUR */        newpos = filp->f_pos + offset;        break;      case 2: /* SEEK_END */        newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;        break;      default: /* can't happen */        return -EINVAL;    }    if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))    return -EINVAL;        filp->f_pos = newpos;    return newpos;}static const struct file_operations mem_fops ={  .owner = THIS_MODULE,  .llseek = mem_llseek,  .read = mem_read,  .write = mem_write,  .open = mem_open,  .release = mem_release,};static void memdev_setup_cdev(struct mem_dev *dev,int index){int err,devno;devno = MKDEV(mem_major,mem_minor+index);cdev_init(&dev->cdev,&mem_fops);dev->cdev.owner = THIS_MODULE;dev->cdev.ops = &mem_fops;err = cdev_add(&dev->cdev,devno,MEMDEV_NR_DEVS);if(err){printk(KERN_NOTICE  "Error %d adding mem %d",err,index);}}static int __init memdev_init(void){int result; /*将注册设备号函数返回值付给此变量*/int i;dev_t devno;if(mem_major){/*静态分配设备号*/devno  = MKDEV(mem_major, mem_minor);result = register_chrdev_region(devno,MEMDEV_NR_DEVS,"memdev");}else{result = alloc_chrdev_region(&devno, mem_minor, MEMDEV_NR_DEVS, "memdev");mem_major = MAJOR(devno);}if (result < 0) { /*成功分配设备号后，返回0，否则返回负值*/ printk(KERN_WARNING "memdev: can't get major %d\n", mem_major);return result;}/*为设备结构体分配内存*/mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);if (!mem_devp)   {   //分配内存失败    result =  - ENOMEM;    goto fail_malloc;  }  memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));  for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++){//为每个设备分配内存        mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;//每个设备的内存大小        mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);//存放每个设备的首地址        memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);sema_init(&mem_devp[i].sem, 1); //初始化信号量，也可以用init_MUTEX(&mem_devp[i].sem)替代  }  memdev_setup_cdev(mem_devp,0);/*初始化cdev结构,并且注册字符设备*/  return 0;  fail_malloc:   unregister_chrdev_region(devno, MEMDEV_NR_DEVS);  return result;}static void __exit memdev_exit(void){  cdev_del(&mem_devp->cdev);   /*注销设备*/  kfree(mem_devp);     /*释放设备结构体内存*/  unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, mem_minor), MEMDEV_NR_DEVS); /*释放设备号*/}module_init(memdev_init);module_exit(memdev_exit);MODULE_AUTHOR("WIOT");MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_DESCRIPTION("just for studing,no any values!");

上述代码是操作的4个字符设备，这四个字符设备中，主设备号决定驱动程序，次设备号决定操作的字符设备。

制作Makefile文件：

ifneq ($(KERNELRELEASE),)obj-m := memdev.o /dev/memdev0 c elseKDIR := /arm/Friendly_Linux/linux-2.6.32.2all:make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-clean:rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *.symvers  modul*endif

执行make命令，生成memdev.ko的驱动，拷贝到mini2440中，用insmod加载后，然后创建设备文件：

mknod  /dev/memdev0 c 251 0

mknod  /dev/memdev1 c 251 1

mknod  /dev/memdev2 c 251 2

mknod  /dev/memdev3 c 251 3

可以生成4个设备，然后用应用程序验证。

#include <stdio.h>int main(){FILE *fp0 = NULL;char Buf[4096];/*初始化Buf*/strcpy(Buf,"Mem is char dev!");printf("BUF: %s\n",Buf);/*打开设备文件*/fp0 = fopen("/dev/memdev1","r+");if (fp0 == NULL){printf("Open Memdev1 Error!\n");return -1;}/*写入设备*/fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);/*重新定位文件位置（思考没有该指令，会有何后果)*/fseek(fp0,0,SEEK_SET);/*清除Buf*/strcpy(Buf,"Buf is NULL!");printf("BUF: %s\n",Buf);/*读出设备*/fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);/*检测结果*/printf("BUF: %s\n",Buf);return 0;}

就可以得到想要的结果了。