3-字符设备框架_创建设备文件

字符设备框架：

• 字符设备类包含了同种的字符设备。/sys/class
• 每种设备都有struct cdev来描述的：

struct file_operations *ops = &hello_op    
cdev_init(&cdev,&hello_op)
dev_t *dev = &devno                             
cdev_add(&cdev,devno,1)

用户空间

• 应用程序(用到设备文件名——mknod "/dev/设备文件名" c 主设备号 次设备号)

内核空间

        系统调用
            |
           vfs  （struct cdev   struct file_operations）
            |
          驱动  设备号 = MKDEV(主设备号，次设备号);

//struct cdev cdev;
struct cdev *cdev;
3、初始化file_operations结构体
struct file_operations op = {
    .owner = THIS_MODULE,//代表了当前模块的意思，不写也没错
    .open = hello_open
};

加载函数

• 1、申请设备号——dev_t devno = mar_num << 20 | min_num 或者调用 MKDEV(主设备号，次设备号)
• 2、注册设备号
  * 静态注册：register_chrdev_region(devno,需要注册的设备个数，设备文件名);
  * 动态注册：alloc_chrdev_region(devno,起始次设备号，次设备号个数，设备文件名);
  * 静态注册的优点是设备启动需要的时间短，但是容易造成和已存在设备号冲突
  * cdev = kzalloc(sizeof(struct cdev),GFP_KERNEL);
• 4、初始化字符设备 cdev_init(&cdev,&op);
• 5、添加字符设备到内核中 cdev_add(&cdev,devno,1);

卸载函数

• 6、cdev_del(&cdev);
• 7、注销设备号
  • unregister_chrdev_region(devno,注销的字符设备个数);

规避版权

自动创建设备节点 描述时设备节点就是设备文件

• 在讲自动创建设备节点前，必须先了解另一部分知识点：sysfs这种文件系统默认被挂载到了/sys目录下.
  它的作用是给用户空间和内核空间提供交互的接口——会将内核中的信息(例如设备号)导出到用户空间，
  并且将信息存放到/sys/module/目录名(以模块名称命名的)/uevent文件中.
  在用户空间中有一个小程序叫做udev，每次开机的时候会去遍历所有的uevent文件，提取出设备号然后在
  /dev/目录下创建设备文件，一旦创建完成后udev阻塞，当我们新加载一个驱动时，sysfs会将新加载的驱动
  信息导出到用户空间同时会产生新的uevent文件，一旦产生uevent文件，udev会唤醒。

struct class *cls;
cls = class_create(THIS_MODULE,"hello");
这里的hello代表了类的名字，会在/sys/class目录下出现一个文件夹叫做hello，而hello的下面可能出现很多代表子设备的软连接

创建设备文件接口

struct device *devs;
devs = device_create(类结构体指针，父设备的结构体指针，);

struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent,dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...)

• 功能：在/dev目录下自动创建设备文件
• 参数1:类结构体指针cls
• 参数2:父设备的device结构体指针，如果没有要写NULL
• 参数3:设备号
• 参数4:一些私有数据，如果不用写NULL
• 参数5:设备文件名，但不一定是完整的设备文件名，如果不使用第六个参数，那么第五个参数就是完整的设备文件名
  • 如果使用第六个参数，那么设备文件名则是由第五和第六两个参数构成的。
• 参数6:不需要可以省略

sturct inode
{
    umode_t i_mode 判断设备类型
    struct cdev *i_cdev 存放的是驱动层中cdev结构体的首地址
}
inode结构体是静态的，最初是存放到磁盘上的，第一次打开文件时会被加载到内核中。inode结构体对于一个文件来讲只有一个。


struct file {
    const struct file_operations *f_op; 存放了驱动中的file_operations结构体的首地址
}
用来描述文件的动态信息的，只要打开一次文件就会出现一个新的struct file结构体

int (*open) (struct inode *, struct file *);
驱动层中的open完成的功能：打开文件，申请资源，识别次设备号，存放私有数据

用户空间

• 系统调用接口open 上层的open通过系统调用号来匹配系统调用源码

内核空间

• 系统调用

内核中：

• 1、

  vi arch/arm/include/uapi/asm/unistd.h
  33 #define __NR_open           (__NR_SYSCALL_BASE+  5)
  5是系统调用号
  

• 2、

  跟进
  __Nr_open
  713 __SYSCALL(__NR_open, sys_open)
  通过系统调用找到了sys_open 内核中一个函数
  

• 3、

  SYSCALL_DEFINE3(open, const char __user *, filename, int, flags, umode_t, mode)
  
           return do_sys_open(AT_FDCWD, filename, flags, mode);
                      ||
                      \/
          struct file *f = do_filp_open(dfd, tmp, &op);
                              ||
                              \/
              filp = path_openat(dfd, pathname, &nd, op, flags | LOOKUP_RCU);
                          ||
                          \/
              3181     error = do_last(nd, &path, file, op, &opened, pathname);
                                  ||
                                  \/
                      2882         goto finish_open;
                                          ||
                                          \/
                              794     error = do_dentry_open(file, open, current_cred());
                                                  ||
                                                  \/
                                       727         open = f->f_op->open;
                                      其中f->f_op->open;    我们在驱动中自己实现的函数接口，比如.open = hello_open
  

无论应用层还是底层所谓的读写，都是站在应用层的角度来看待的。

• 读：数据从内核空间流向用户空间
• 写：相反

读 :

• 功能:将内核空间的数据拷贝到用户空间
• 参数1:第一个参数内核创建。
• 参数2:用户空间地址
• 参数3:从内核空间传递给用户空间的数据大小
• 参数4:偏移量

    size_t read(struct file *,char __user *,size_t ,loff_t *)
    {
        将内核空间的数据拷贝到用户空间 copy_to_user();
    }

---

static inline unsigned long __must_check copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n);

• 返回值：成功返回0,失败返回错误码
• 参数1：用户空间的某个地址
• 参数2: 内核空间的某个地址
• 参数3: 需要给用户空间拷贝的字节数

---

    size_t write(struct file *,const char __user *,size_t ,loff_t *)
    {
        将用户空间的数据拷贝到内核空间 copy_from_user();
    }

---

    static inline unsigned long __must_check copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n)

• 返回值:成功返回0，失败返回错误码
• 参数1:内核空间的某个地址
• 参数2:用户空间某个地址
• 参数3：用户空间给内核空间传递的数据的字节数

---

应用层:

• int ioctl(int fd,int cmd,...);

• 参数1：文件描述符

• 参数2: 命令

• 参数3：如果不需要则省略，如果需要可能是一个普通变量也可能是一个地址

  • 如果参数3需要传递一个结构，这个时候需要传递这个结构的首地址，同时驱动层要想获取数据必须调用copy_from_user或者copy_to_user
  • 如果参数3只是传递一个基本类型的数据，驱动层直接通过第三个参数来接收应用层的数据。

• 驱动层:

  • long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
  • 参数2:命令
  • 参数3：接收应用程序传过来的数据

  cmd是一个32位的无符号整数，这个整数分成4个部分
               8位                       8位          2位            14位
     幻数(代表某个设备,通常用字符)    代表了序号      方向     传递的参数的类型大小
  

---

虚拟地址 = ioremap(物理地址，物理地址占用字节数)

练习 ：

Makefile

ifeq ($(KERNELRELEASE),)
#KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
KERNELDIR ?= /home/linux/linux-3.14/
PWD ?= $(shell pwd)
modules:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
    cp *.ko /rootfs
app:
    arm-none-linux-gnueabi-gcc test.c -o test
    cp test /rootfs
clean:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) clean
.PHONY: modules clean
else
    obj-m += led.o
endif

---

head.h

#ifndef     __HEAD_H_
#define     __HEAD_H_

#define     MAGIC   'l'

#define     LED2_ON     _IO(MAGIC,0)
#define     LED2_OFF    _IO(MAGIC,1)
#define     LED3_ON     _IO(MAGIC,2)
#define     LED3_OFF    _IO(MAGIC,3)
#define     LED4_ON     _IO(MAGIC,4)
#define     LED4_OFF    _IO(MAGIC,5)
#define     LED5_ON     _IO(MAGIC,6)
#define     LED5_OFF    _IO(MAGIC,7)
#define     LEDALL_ON   _IO(MAGIC,8)
#define     LEDALL_OFF  _IO(MAGIC,9)

#endif

---

led.c

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/device.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#include "head.h"

#define     LED_MAJOR   505
#define     LED_MINOR   0
#define     LED_NUM     1
#define     LED_NAME    "ledx"
#define     CLS_NAME    "led_cls"
#define     DEV_NAME    "led"

#define     GPX2CON     0x11000c40
#define     GPX1CON     0x11000c20
#define     GPF3CON     0x114001e0

volatile unsigned int * gpx2con;
volatile unsigned int * gpx1con;
volatile unsigned int * gpf3con;
volatile unsigned int * gpx2dat;
volatile unsigned int * gpx1dat;
volatile unsigned int * gpf3dat;

dev_t devno;
struct cdev led_cdev;
struct class * cls;
int led_open (struct inode *inode, struct file *file)
{
     printk(" led_open!!!\n");
     return 0;
}
int led_release (struct inode *inode, struct file *file)
{
     printk(" led_release!!!\n");
     return 0;
}
long led_ioctl (struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    printk(" led_ioctl !!!\n");
    switch (cmd)
    {
    case LED2_ON:
        *gpx2dat = (*gpx2dat)|(0x1 << 7);
        *gpx1dat = (*gpx1dat)&~(0x1 << 0);
        *gpf3dat = (*gpf3dat)&~(0x3 << 4);
        break;
    case LED2_OFF:
        *gpx2dat = (*gpx2dat)&~(0x1 << 7);
        *gpx1dat = (*gpx1dat)&~(0x1 << 0);
        *gpf3dat = (*gpf3dat)&~(0x3 << 4);  
        break;
    case LED3_ON:
        *gpx2dat = (*gpx2dat)&~(0x1 << 7);
        *gpx1dat = (*gpx1dat)|(0x1 << 0);
        *gpf3dat = (*gpf3dat)&~(0x3 << 4);  
        break;
    case LED3_OFF:
        *gpx2dat = (*gpx2dat)&~(0x1 << 7);
        *gpx1dat = (*gpx1dat)&~(0x1 << 0);
        *gpf3dat = (*gpf3dat)&~(0x3 << 4);  
        break;
    case LED4_ON:
        *gpx2dat = (*gpx2dat)&~(0x1 << 7);
        *gpx1dat = (*gpx1dat)&~(0x1 << 0);
        *gpf3dat = (*gpf3dat)|(0x1 << 4);
        *gpf3dat = (*gpf3dat)&~(0x1 << 5);  
        break;
    case LED4_OFF:
        *gpx2dat = (*gpx2dat)&~(0x1 << 7);
        *gpx1dat = (*gpx1dat)&~(0x1 << 0);
        *gpf3dat = (*gpf3dat)&~(0x3 << 4);  
        break;
    case LED5_ON:
        *gpx2dat = (*gpx2dat)&~(0x1 << 7);
        *gpx1dat = (*gpx1dat)&~(0x1 << 0);
        *gpf3dat = (*gpf3dat)|(0x1 << 5);
        *gpf3dat = (*gpf3dat)&~(0x1 << 4);  
        break;
    case LED5_OFF:
        *gpx2dat = (*gpx2dat)&~(0x1 << 7);
        *gpx1dat = (*gpx1dat)&~(0x1 << 0);
        *gpf3dat = (*gpf3dat)&~(0x3 << 4);  
        break;
    case LEDALL_ON:
        *gpx2dat = (*gpx2dat)|(0x1 << 7);
        *gpx1dat = (*gpx1dat)|(0x1 << 0);
        *gpf3dat = (*gpf3dat)|(0x3 << 4);  
        break;
    case LEDALL_OFF:
        *gpx2dat = (*gpx2dat)&~(0x1 << 7);
        *gpx1dat = (*gpx1dat)&~(0x1 << 0);
        *gpf3dat = (*gpf3dat)&~(0x3 << 4);  
        break;
    default:
        printk(" fault cmd!!!\n");
        return -EFAULT;
        break;
    }
    return 0;
}
struct file_operations led_fops={
     .owner          = THIS_MODULE,
     .open           = led_open,
     .release        = led_release,
     .unlocked_ioctl = led_ioctl,
};


int __init led_init(void)
{
     int ret;
     printk(" led_init!!!\n");
     devno = MKDEV(LED_MAJOR,LED_MINOR);
     ret = register_chrdev_region(devno,LED_NUM,LED_NAME);
     if (ret < 0)
     {
         printk(" register_chrdev_region fail!!!\n");
         return -EFAULT;
     }
     printk(" register_chrdev_region success!!!\n");
     printk(" major=%d,minor=%d\n",MAJOR(devno),MINOR(devno));

    cdev_init(&led_cdev,&led_fops);
    led_cdev.owner = THIS_MODULE;

    cdev_add(&led_cdev,devno,LED_NUM);

    cls = class_create(THIS_MODULE,CLS_NAME);
    if (IS_ERR(cls))
    {
        printk(" class_create fail!!!\n");
        return -EFAULT;
    }
    device_create(cls,NULL,devno,NULL,DEV_NAME);

    gpx2con = ioremap(GPX2CON,0x4);
    if (NULL == gpx2con)
    {
        printk(" gpx2con ioremap fail!!!\n");
        return -EFAULT;
    }
    gpx1con = ioremap(GPX1CON,0x4);
    if (NULL == gpx1con )
    {
        printk(" gpx1con ioremap fail!!!\n");
        return -EFAULT;
    }
    gpf3con = ioremap(GPF3CON,0x4);
    if (NULL == gpf3con)
    {
        printk(" gpf3con ioremap fail!!!\n");
        return -EFAULT;
    }
    gpx2dat = gpx2con + 1;
    //gpx2dat = ioremap(0x1100c44,0x4);
    gpx1dat = gpx1con + 1;
    gpf3dat = gpf3con + 1;


    *gpx2con = ((*gpx2con)&~(0xf << 28))|(0x1 << 28);
    *gpx1con = ((*gpx1con)&~(0xf <<  0))|(0x1 <<  0);
    *gpf3con = ((*gpf3con)&~(0xff <<16))|(0x11 << 16);

    *gpx2dat =(*gpx2dat)|(0x1 << 7);
    *gpx1dat =(*gpx1dat)|(0x1 << 0);
    *gpf3dat =(*gpf3dat)|(0x3 << 4);



    return 0;
}
module_init(led_init);

void __exit led_exit(void)
{
     printk(" led_exit!!!\n");
     iounmap(gpf3con);
     iounmap(gpx1con);
     iounmap(gpx2con);

     device_destroy(cls,devno);
     class_destroy(cls);

     cdev_del(&led_cdev);
     unregister_chrdev_region(devno,LED_NUM);
}
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

---

led.c

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include "head.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    fd = open("/dev/led",O_RDWR);
    if (fd < 0)
    {
        printf(" open fail!!!\n");
        return -1;
    }
    for(;;)
    {
        ioctl(fd,LED2_ON);
        sleep(1);
        ioctl(fd,LED3_ON);
        sleep(1);
        ioctl(fd,LED4_ON);
        sleep(1);
        ioctl(fd,LED5_ON);
        sleep(1);
        ioctl(fd,LEDALL_ON);
        sleep(1);
    }
    close(fd);
    return 0;
}