大部分學習者的最終目的就是學習 Linux驅動開發，Linux中的外設驅動可以分為：字符設備驅動、塊設備驅動和網絡設備驅動。

|?字符設備驅動簡介

字符設備是 Linux 驅動中最基本的一類設備驅動，字符設備就是一個一個字節，按照字節流進行讀寫操作的設備，讀寫數據是分先后順序的。比如最常見的點燈、按鍵、IIC、SPI，LCD 等等都是字符設備，這些設備的驅動就叫做字符設備驅動。

Linux 應用程序對驅動程序的調用流程

在 Linux 中一切皆為文件，驅動加載成功以后會在“/dev”目錄下生成一個相應的文件，應用程序通過對這個名為“/dev/xxx”(xxx 是具體的驅動文件名字)的文件進行相應的操作即可實現對硬件的操作。 比如現在有個叫做/dev/led 的驅動文件，此文件是 led 燈的驅動文件。應用程序使用 open 函數來打開文件/dev/led，使用完成以后使用 close 函數關閉/dev/led 這個文件。open和 close 就是打開和關閉 led 驅動的函數，如果要點亮或關閉 led，那么就使用 write 函數來操作，也就是向此驅動寫入數據，這個數據就是要關閉還是要打開 led 的控制參數。如果要獲取led 燈的狀態，就用 read 函數從驅動中讀取相應的狀態。

應用程序運行在用戶空間，而Linux驅動屬于內核的一部分，因此驅動運行于內核空間。當應用層通過open函數打開/dev/led 這個驅動時，因用戶空間不能直接操作內核，因此會使用“系統調用”的方法來從用戶空間“陷入”到內核空間，實現對底層驅動的操作。

比如應用程序調用了open這個函數，則在驅動程序中也應有一個對應的open的函數。

Linux內核驅動操作函數

每一個系統調用，在驅動中都有與之對應的一個驅動函數，在 Linux 內核文件 include/linux/fs.h 中有個叫做 file_operations 的結構體，此結構體就是 Linux 內核驅動操作函數集合:

struct file_operations {
  struct module *owner;
  loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
  ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
  ssize_t (*write) (struct file *, constchar __user *, size_t, loff_t *);
  ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
  ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
  int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
  unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
  long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsignedint, unsignedlong);
  long (*compat_ioctl) (struct file *, unsignedint, unsignedlong);
  int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
  int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
  int (*open) (struct inode *, struct file *);
  int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
  int (*release) (struct inode *, struct file *);
  int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
  int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
  int (*fasync) (int, struct file *, int);
  /*省略若干行...*/
};

其中常用的函數有以下這幾種：

?

owner：擁有該結構體的模塊的指針，一般設置為THIS_MODULE。

llseek函數：用于修改文件當前的讀寫位置。

read函數：用于讀取設備文件。

write函數：用于向設備文件寫入(發送)數據。

poll函數：是個輪詢函數，用于查詢設備是否可以進行非阻塞的讀寫。

unlocked_ioctl函數：提供對于設備的控制功能， 與應用程序中的 ioctl 函數對應。

compat_ioctl函數：與 unlocked_ioctl功能一樣，區別在于在 64 位系統上，32 位的應用程序調用將會使用此函數。在 32 位的系統上運行 32 位的應用程序調用的是unlocked_ioctl。

mmap函數：用于將將設備的內存映射到進程空間中(也就是用戶空間)，一般幀緩沖設備會使用此函數， 比如 LCD 驅動的顯存，將幀緩沖(LCD 顯存)映射到用戶空間中以后應用程序就可以直接操作顯存了，這樣就不用在用戶空間和內核空間之間來回復制。

open函數：用于打開設備文件。

release函數：用于釋放(關閉)設備文件，與應用程序中的 close 函數對應。

fasync函數：用于刷新待處理的數據，用于將緩沖區中的數據刷新到磁盤中。

aio_fsync函數：與fasync功能類似，只是 aio_fsync 是異步刷新待處理的

Linux 驅動有兩種運行方式

Linux 驅動有兩種運行方式，第一種就是將驅動編譯進 Linux 內核中，這樣當 Linux 內核啟動的時候就會自動運行驅動程序。第二種就是將驅動編譯成模塊(Linux 下模塊擴展名為.ko)，在Linux 內核啟動以后使用“insmod”命令加載驅動模塊。在驅動開發階段一般都將其編譯為模塊，不需要編譯整個Linux代碼，方便調試驅動程序。當驅動開發完成后，根據實際需要，可以選擇是否將驅動編譯進Linux內核中。 Linux 設備號 為了方便管理，Linux 中每個設備都有一個設備號，設備號由主設備號和次設備號兩部分組成，主設備號表示某一個具體的驅動，次設備號表示使用這個驅動的各個設備。Linux 提供了一個名為 dev_t 的數據類型表示設備號，dev_t 定義在文件 include/linux/types.h 里面，定義如下：

typedef __u32 __kernel_dev_t;
......
typedef __kernel_dev_t dev_t;

dev_t 其實就是 unsigned int 類型，是一個 32 位的數據類型。這 32 位的數據構成了主設備號和次設備號兩部分，其中高 12 位為主設備號，低 20 位為次設備號。因此 Linux系統中主設備號范圍為 0~4095，所以大家在選擇主設備號的時候一定不要超過這個范圍。 在文件 include/linux/kdev_t.h 中提供了幾個關于設備號的操作函數(本質是宏)，如下所示：

#define MINORBITS 20
#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1) 8 


#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

?

MINORBITS：表示次設備號位數，一共20位

MINORMASK：表示次設備號掩碼

MAJOR：用于從dev_t中獲取主設備號，將dev_t右移20位即可

MINOR：用于從dev_t中獲取次設備號，取dev_t的低20位的值即可

MKDEV：用于將給定的主設備號和次設備號的值組合成dev_t類型的設備號

設備號的分配有兩種方式，第一種是靜態分配設備號，需要開發者手動指定設備號，并且要注意不能與已有的重復，一些常用的設備號已經被Linux內核開發者給分配掉了，使用“cat /proc/devices”命令可查看當前系統中所有已經使用了的設備號。；第二種是動態分配設備號，靜態分配設備號很容易帶來沖突問題，Linux 社區推薦使用動態分配設備號，在注冊字符設備之前先申請一個設備號，系統會自動給你一個沒有被使用的設備號，這樣就避免了沖突。 設備號的申請函數

/*
dev：保存申請到的設備號。
baseminor：次設備號起始地址，一般 baseminor 為?0，也就是說次設備號從?0?開始。
count：要申請的設備號數量。
name：設備名字。
*/
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)

? 設備號釋放函數

/*
from：要釋放的設備號。
count：表示從 from 開始，要釋放的設備號數量。
*/
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

?

| 字符設備驅動開發模板

加載與卸載

在編寫驅動的時候需要注冊模塊加載和卸載這兩種函數：

?

module_init(xxx_init);   //注冊模塊加載函數 
module_exit(xxx_exit);   //注冊模塊卸載函數

?

module_init()用來向Linux內核注冊一個模塊加載函數，參數xxx_init就是需要注冊的具體函數，當使用 “insmod” 命令加載驅動的時候，xxx_init這個函數就會被調用。

module_exit()用來向Linux內核注冊一個模塊卸載函數，參數xxx_exit就是需要注冊的具體函數，當使用“rmmod”命令卸載具體驅動的時候 xxx_exit函數就會被調用。

字符設備驅動模塊加載和卸載模板如下所示：

?

/* 驅動入口函數 */
static int __init xxx_init(void) 
{ 
  /*入口函數內容 */
  return0; 
} 


/* 驅動出口函數 */
static void __exit xxx_exit(void) 
{ 
  /*出口函數內容*/
} 


/*指定為驅動的入口和出口函數 */
module_init(xxx_init); 
module_exit(xxx_exit);

?

驅動編譯完成以后擴展名為.ko， 有兩種命令可以加載驅動模塊:

insmod：最簡單的模塊加載命令，用于加載指定的.ko模塊，此命令不能解決模塊的依賴關系

modprobe：該命令會分析模塊的依賴關系，將所有的依賴模塊都加載到內核中，因此更智能

modprobe 命令默認會去/lib/modules/目錄中查找模塊（自制的根文件系統沒有這個目錄，需要手動創建）

卸載驅動也有兩種命令：

rmmod：例如使用rmmod drv.ko來卸載 drv.ko這一個模塊

modprobe -r：該命令除了卸載指定的驅動，還卸載其所依賴的其他模塊，若這些依賴模塊還在被其它模塊使用，就不能使用 modprobe來卸載驅動模塊！ ?

注冊與注銷

對于字符設備驅動而言，當驅動模塊加載成功以后需要注冊字符設備，同樣，卸載驅動模塊的時候也需要注銷掉字符設備。

字符設備的注冊函數原型如下所示:

?

/*
major:主設備號
name:設備名字，指向一串字符串
fops:結構體 file_operations 類型指針，指向設備的操作函數集合變量
*/
static?inline?int?register_chrdev(unsigned?int?major,?const?char?*name,const?struct?file_operations?*fops)

?

字符設備的注銷函數原型如下所示:

?

/*
major：要注銷的設備對應的主設備號。
name：要注銷的設備對應的設備名。
*/
static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)

?

一般字符設備的注冊在驅動模塊的入口函數?xxx_init 中進行，字符設備的注銷在驅動模塊的出口函數?xxx_exit 中進行。

?

staticstruct file_operations test_fops;


/* 驅動入口函數 */
static int __init xxx_init(void) 
{ 
??/*?入口函數具體內容?*/
??int?retvalue?=?0;?
??/*?注冊字符設備驅動?*/
??retvalue?=?register_chrdev(200,?"chrtest",?&test_fops);?
  if(retvalue < 0)
    { 
    /*  字符設備注冊失敗, 自行處理 */
  } 
  return0; 
} 


/* 驅動出口函數 */
static void __exit xxx_exit(void) 
{ 
  /* 注銷字符設備驅動 */
  unregister_chrdev(200, "chrtest"); 
} 


/* 將上面兩個函數指定為驅動的入口和出口函數 */
module_init(xxx_init); 
module_exit(xxx_exit);

要注意的一點就是，選擇沒有被使用的主設備號；

// 查看當前已經被使用掉的設備號
cat /proc/devices

?

實現設備的具體操作函數

file_operations 結構體就是設備的具體操作函數，在上圖代碼中定義了file_operations結構體類型的變量test_fops，但是還沒對其進行初始化，也就是初始化其中的 open、release、read 和 write 等具體的設備操作函數。

假設對chrtest這個設備有如下兩個要求：

能夠實現打開和關閉操作：需要實現 file_operations 中的open和release?這兩個函數

能夠實現進行讀寫操作：需要實現 file_operations 中的read和write這兩個函數

?

/*打開設備*/
static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp) 
{ 
??/*用戶實現具體功能*/
  return0; 
}
/*從設備讀取*/
static ssize_t chrtest_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) 
{ 
??/*用戶實現具體功能*/
  return0; 
}
/*向設備寫數據*/
static ssize_t chrtest_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) 
{ 
??/*用戶實現具體功能*/
  return0; 
}


/*關閉釋放設備*/
static int chrtest_release(struct inode *inode, struct file *filp) 
{ 
??/*用戶實現具體功能*/
  return0; 
}


/*文件操作結構體*/
staticstruct file_operations test_fops = {
  .owner = THIS_MODULE,    
  .open = chrtest_open, 
  .read = chrtest_read, 
  .write = chrtest_write, 
  .release = chrtest_release, 
}; 


/*驅動入口函數*/
static int __init xxx_init(void) 
{ 
  /*入口函數具體內容*/
  int retvalue = 0; 


  /*注冊字符設備驅動*/
  retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops); 
  if(retvalue < 0)
  { 
    /*字符設備注冊失敗*/
  } 
  return0; 
}


/*驅動出口函數*/
static void __exit xxx_exit(void) 
{
  /*注銷字符設備驅動*/
  unregister_chrdev(200, "chrtest"); 
}


/*指定為驅動的入口和出口函數*/
module_init(xxx_init); 
module_exit(xxx_exit);

?

一開始編寫了四個函數：chrtest_open、chrtest_read、chrtest_write和 chrtest_release。這四個函數就是 chrtest 設備的 open、read、write 和 release 操作函數。結構體配置就是初始化 test_fops 的 open、read、write 和 release 這四個成員變量。

? 添加 LICENSE 和作者信息 最后需要在驅動中加入 LICENSE(許可) 信息和作者信息，其中 LICENSE 是必須添加的，否則的話編譯的時候會報錯，作者信息可以添加也可以不添加。 LICENSE 和作者信息的添加使用如下兩個函數：

MODULE_LICENSE() //添加模塊 LICENSE 信息
MODULE_AUTHOR() //添加模塊作者信息

?

/* 打開設備 */
static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  /* 用戶實現具體功能 */
  return 0;
}
......


/* 將上面兩個函數指定為驅動的入口和出口函數 */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);


MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

? LICENSE 采用 GPL 協議，有時候協議是很有必要的，特別是開源的項目，對于常用的協議還是要有一定的了解。?

?