Linux字符设备驱动开发初体验

字符设备驱动

设备驱动分类

Linux系统将设备分为三类：

• • 字符设备：按字节流顺序访问的设备，如键盘、串口、LED等
• • 块设备：可以随机访问固定大小数据块的设备，如硬盘、U盘等
• • 网络设备：用于网络通信的设备，如网卡

字符设备驱动特点

• • 面向流的设备，数据按顺序传输
• • 通常不需要缓冲
• • 通过设备文件（/dev目录下）访问
• • 使用主设备号和次设备号标识

驱动开发环境

内核源码安装

# 安装内核源码sudo apt-get install linux-source# 解压源码tar -jxvf /usr/src/linux-source-*.tar.bz2

开发工具安装

sudo apt-get install build-essential linux-headers-$(uname -r)

字符设备驱动开发流程

字符设备驱动实现

驱动框架结构

创建一个名为simple_char的字符设备驱动，实现基本的读写操作。

驱动实现示例

#include<linux/module.h>#include<linux/fs.h>#include<linux/cdev.h>#include<linux/uaccess.h>#include<linux/device.h>#include<linux/slab.h>// 设备名称#define DEVICE_NAME "simple_char"// 设备类别名称#define CLASS_NAME "simple_class"// 设备结构体structsimple_char_dev {structcdevcdev;// 字符设备结构体char data[256];             // 设备数据缓冲区structsemaphoresem;// 信号量，用于同步}; // 全局变量staticdev_t dev_num;           // 设备号staticstructsimple_char_dev *simple_dev;// 设备结构体指针staticstructclass *simple_class;// 设备类别staticstructdevice *simple_device;// 设备// 文件操作函数声明staticintsimple_open(struct inode *inode, struct file *file);staticintsimple_release(struct inode *inode, struct file *file);staticssize_tsimple_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos);staticssize_tsimple_write(struct file *file, constchar __user *buf, size_t count, loff_t *pos);staticlongsimple_ioctl(struct file *file, unsignedint cmd, unsignedlong arg);// 文件操作结构体staticstructfile_operationssimple_fops = {    .owner = THIS_MODULE,    .open = simple_open,    .release = simple_release,    .read = simple_read,    .write = simple_write,    .unlocked_ioctl = simple_ioctl,};// 模块初始化函数staticint __init simple_init(void){int ret;    printk(KERN_INFO "Simple Char Driver: Initializing\n");// 1. 分配设备号    ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME);if (ret < 0) {        printk(KERN_ERR "Simple Char Driver: Failed to allocate device number\n");return ret;    }    printk(KERN_INFO "Simple Char Driver: Major = %d, Minor = %d\n",            MAJOR(dev_num), MINOR(dev_num));// 2. 创建设备类别    simple_class = class_create(THIS_MODULE, CLASS_NAME);if (IS_ERR(simple_class)) {        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);        printk(KERN_ERR "Simple Char Driver: Failed to create class\n");return PTR_ERR(simple_class);    }// 3. 创建设备结构体    simple_dev = kmalloc(sizeof(struct simple_char_dev), GFP_KERNEL);if (!simple_dev) {        class_destroy(simple_class);        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);        printk(KERN_ERR "Simple Char Driver: Failed to allocate device structure\n");return -ENOMEM;    }// 初始化数据缓冲区memset(simple_dev->data, 0, sizeof(simple_dev->data));// 初始化信号量    sema_init(&simple_dev->sem, 1);// 4. 初始化cdev并添加到内核    cdev_init(&simple_dev->cdev, &simple_fops);    simple_dev->cdev.owner = THIS_MODULE;    ret = cdev_add(&simple_dev->cdev, dev_num, 1);if (ret < 0) {        kfree(simple_dev);        class_destroy(simple_class);        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);        printk(KERN_ERR "Simple Char Driver: Failed to add cdev\n");return ret;    }// 5. 创建设备文件    simple_device = device_create(simple_class, NULL, dev_num, NULL, DEVICE_NAME);if (IS_ERR(simple_device)) {        cdev_del(&simple_dev->cdev);        kfree(simple_dev);        class_destroy(simple_class);        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);        printk(KERN_ERR "Simple Char Driver: Failed to create device\n");return PTR_ERR(simple_device);    }    printk(KERN_INFO "Simple Char Driver: Initialized successfully\n");return0;}// 模块退出函数staticvoid __exit simple_exit(void){    printk(KERN_INFO "Simple Char Driver: Exiting\n");// 1. 销毁设备文件    device_destroy(simple_class, dev_num);// 2. 删除cdev    cdev_del(&simple_dev->cdev);// 3. 释放设备结构体    kfree(simple_dev);// 4. 销毁设备类别    class_destroy(simple_class);// 5. 释放设备号    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);    printk(KERN_INFO "Simple Char Driver: Exited successfully\n");}// 打开设备函数staticintsimple_open(struct inode *inode, struct file *file){structsimple_char_dev *dev;// 获取设备结构体指针    dev = container_of(inode->i_cdev, struct simple_char_dev, cdev);    file->private_data = dev;    printk(KERN_INFO "Simple Char Driver: Device opened\n");return0;}// 释放设备函数staticintsimple_release(struct inode *inode, struct file *file){    printk(KERN_INFO "Simple Char Driver: Device released\n");return0;}// 读取设备函数staticssize_tsimple_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos){structsimple_char_dev *dev = file->private_data;ssize_t ret = 0;// 等待信号量if (down_interruptible(&dev->sem)) {return -ERESTARTSYS;    }// 检查读取位置是否超出范围if (*pos >= sizeof(dev->data)) {goto out;    }// 调整读取长度if (count > sizeof(dev->data) - *pos) {        count = sizeof(dev->data) - *pos;    }// 从内核空间复制到用户空间if (copy_to_user(buf, dev->data + *pos, count)) {        ret = -EFAULT;goto out;    }// 更新读取位置    *pos += count;    ret = count;    printk(KERN_INFO "Simple Char Driver: Read %ld bytes\n", count);out:    up(&dev->sem);return ret;}// 写入设备函数staticssize_tsimple_write(struct file *file, constchar __user *buf, size_t count, loff_t *pos){structsimple_char_dev *dev = file->private_data;ssize_t ret = 0;// 等待信号量if (down_interruptible(&dev->sem)) {return -ERESTARTSYS;    }// 检查写入位置是否超出范围if (*pos >= sizeof(dev->data)) {goto out;    }// 调整写入长度if (count > sizeof(dev->data) - *pos) {        count = sizeof(dev->data) - *pos;    }// 从用户空间复制到内核空间if (copy_from_user(dev->data + *pos, buf, count)) {        ret = -EFAULT;goto out;    }// 更新写入位置    *pos += count;    ret = count;    printk(KERN_INFO "Simple Char Driver: Written %ld bytes\n", count);out:    up(&dev->sem);return ret;}// IOCTL函数staticlongsimple_ioctl(struct file *file, unsignedint cmd, unsignedlong arg){structsimple_char_dev *dev = file->private_data;int ret = 0;// 等待信号量if (down_interruptible(&dev->sem)) {return -ERESTARTSYS;    }switch (cmd) {case0x100:  // 清除缓冲区memset(dev->data, 0, sizeof(dev->data));            printk(KERN_INFO "Simple Char Driver: Buffer cleared\n");break;case0x101:  // 获取缓冲区大小            ret = copy_to_user((int __user *)arg, &(sizeof(dev->data)), sizeof(int));if (ret) {                ret = -EFAULT;            }break;default:            ret = -EINVAL;break;    }    up(&dev->sem);return ret;}// 模块注册module_init(simple_init);module_exit(simple_exit);// 模块信息MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("Your Name");MODULE_DESCRIPTION("A simple character device driver");MODULE_VERSION("1.0");

Makefile编写

创建一个Makefile用于编译内核模块：

obj-m += simple_char.oKDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/buildPWD := $(shell pwd)default:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modulesclean:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

编译与加载驱动

编译驱动

make

编译成功后，会生成以下文件：

• • simple_char.ko：内核模块文件
• • simple_char.mod.c：模块依赖信息
• • simple_char.mod.o：编译后的模块依赖对象
• • simple_char.o：编译后的驱动对象
• • modules.order：模块顺序文件
• • Module.symvers：模块符号版本文件

加载驱动

# 加载内核模块sudo insmod simple_char.ko# 查看是否加载成功lsmod | grep simple_char# 查看设备号cat /proc/devices | grep simple_char

创建设备文件

# 手动创建设备文件（如果device_create没有自动创建）sudomknod /dev/simple_char c <major> <minor># 设置设备文件权限sudochmod 666 /dev/simple_char

查看驱动日志

dmesg | grep "Simple Char Driver"

用户空间测试

用户空间测试程序test_simple_char.c验证：

#include<stdio.h>#include<fcntl.h>#include<unistd.h>#include<string.h>#include<sys/ioctl.h>#define DEVICE_FILE "/dev/simple_char"intmain() {int fd;char buffer[256];int size;// 打开设备文件    fd = open(DEVICE_FILE, O_RDWR);if (fd < 0) {        perror("Failed to open device file");return1;    }printf("Device opened successfully\n");// 写入数据constchar *test_data = "Hello, Linux Character Driver!";if (write(fd, test_data, strlen(test_data)) < 0) {        perror("Failed to write to device");        close(fd);return1;    }printf("Written: %s\n", test_data);// 重置文件位置    lseek(fd, 0, SEEK_SET);// 读取数据memset(buffer, 0, sizeof(buffer));if (read(fd, buffer, sizeof(buffer)) < 0) {        perror("Failed to read from device");        close(fd);return1;    }printf("Read: %s\n", buffer);// 使用IOCTL获取缓冲区大小if (ioctl(fd, 0x101, &size) < 0) {        perror("Failed to get buffer size");        close(fd);return1;    }printf("Buffer size: %d bytes\n", size);// 使用IOCTL清除缓冲区if (ioctl(fd, 0x100) < 0) {        perror("Failed to clear buffer");        close(fd);return1;    }printf("Buffer cleared\n");// 验证缓冲区已清除    lseek(fd, 0, SEEK_SET);memset(buffer, 0, sizeof(buffer));if (read(fd, buffer, sizeof(buffer)) < 0) {        perror("Failed to read from device");        close(fd);return1;    }printf("Read after clear: %s\n", buffer);// 关闭设备文件    close(fd);printf("Device closed\n");return0;}

编译并运行测试程序：

gcc -o test_simple_char test_simple_char.c./test_simple_char

卸载驱动

# 卸载内核模块sudo rmmod simple_char# 查看日志确认卸载

核心概念

设备号

• • 主设备号：标识设备驱动
• • 次设备号：标识同一驱动下的不同设备
• • 设备号类型：dev_t（32位，高12位主设备号，低20位次设备号）

file_operations结构体

用户空间与内核空间数据交换

数据交换机制

Linux内核提供了专门的函数用于用户空间和内核空间之间的数据交换：

• • copy_to_user()：从内核空间复制数据到用户空间
• • copy_from_user()：从用户空间复制数据到内核空间
• • get_user()：获取单个用户空间数据
• • put_user()：写入单个数据到用户空间

数据交换流程图

同步机制

• • 信号量：用于保护共享资源，防止并发访问冲突
• • 互斥锁：用于确保同一时间只有一个进程访问资源
• • 自旋锁：用于内核态下的短时间同步

总结

驱动开发关键

1. 1. 设备号管理：分配、注册和释放设备号
2. 2. cdev管理：初始化、添加和删除cdev结构
3. 3. 设备文件管理：创建设备文件和类别
4. 4. file_operations实现：实现设备的各种操作方法
5. 5. 同步机制：保护共享资源，防止并发访问冲突
6. 6. 数据交换：正确处理用户空间和内核空间的数据传输