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rk3588 驱动开发（一）字符设备开发

news 2025/4/16 6:05:38

3.字符设备驱动开发

3.1 什么是字符设备驱动

字符设备：就是一个个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写是按照先后顺序的。
举例子：IIC 按键 LED SPI LCD 等
Linux 应用程序调用驱动程序流程：
Linux中驱动加载成功后会在/dev 中生成一个/dev/xxx（xxx是驱动文件名字）文件 应用程序对/dev/xxx进行open write read close 等操作
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

应用程序open函数调用c库函数，c库中的open函数调用系统内核态的open函数，然后调用驱动中的open函数。

3.2字符设备驱动开发

3.2.1 驱动模块的加载和卸载

驱动运行方式有两种：
1、将驱动编译到内核中启动时自动运行驱动程序
2、在 Linux 内核启动以后使用“modprobe”或者“insmod”命令加载驱动模块

这里有两个函数：

module_init(xxx_init); //注册模块加载函数
module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数

使用modprobe时module_init函数被调用

使用rmmod时module_exit函数被调用

入口函数：

static int __init xxx_init(void)
{/* 入口函数具体内容 */return 0;
}

出口函数：

static void __exit xxx_exit(void)
{
/*出口函数内容*/
}

insmod和modprobe的关系：

insmod 命令不能解决模块的依赖关系，比如 drv.ko 依赖 first.ko 这个模块，就必须先使用insmod 命令加载 first.ko 这个模块，然后再加载 drv.ko 这个模块。
modprobe 就不会存在这个问题，modprobe 会分析模块的依赖关系，然后会将所有的依赖模块都加载到内核中，因此 modprobe 命令相比 insmod 要智能一些。
modprobe 命令主要智能在提供了模块的依赖性分
析、错误检查、错误报告等功能，推荐使用 modprobe 命令来加载驱动。modprobe 命令默认会去/lib/modules/<kernel-version>目录中查找模块，kernel-version为内核版本号。

驱动模块卸载
驱动模块的卸载使用命令“rmmod”即可，比如要卸载 drv.ko，使用如下命令即可：
rmmod drv.ko
也可以使用“modprobe -r”命令卸载驱动，比如要卸载 drv.ko，命令如下：
modprobe -r drv
使用 modprobe 命令可以卸载掉驱动模块所依赖的其他模块，前提是这些依赖模块已经没有被其他模块所使用，否则就不能使用 modprobe 来卸载驱动模块。所以对于模块的卸载，还是推荐使用 rmmod 命令。

3.2.2 字符设备注册与注销

当驱动模块加载成功后，需要注册字符设备。当驱动模块卸载成时，需要将字符设备注销。
注册和注销设备驱动函数原型如下：

static inline int register_chrdev(unsigned int major, 
const char *name,
const struct file_operations *fops)
static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, 
const char *name)

register_chrdev 函数用于注册字符设备，此函数一共有三个参数，这三个参数的含义如下：
major：主设备号，Linux 下每个设备都有一个设备号，设备号分为主设备号和次设备号两部分，
name：设备名字，指向一串字符串。
fops：结构体 file_operations 类型指针，指向设备的操作函数集合变量。
unregister_chrdev 函数用户注销字符设备，此函数有两个参数，这两个参数含义如下：
major：要注销的设备对应的主设备号。
name：要注销的设备对应的设备名。

查看已使用的设备号：cat /proc/devices

在这里插入图片描述

3.2.3 实现设备的具体操作函数

file_operation结构体就是具体的操作函数，如open read write release

29 static struct file_operations test_fops = {
30 .owner = THIS_MODULE, 
31 .open = chrtest_open,
32 .read = chrtest_read,
33 .write = chrtest_write,
34 .release = chrtest_release,
35 };

指定初始化器（designated initializer），.成员名 = 值 的语法格式在 C99 标准中被引入。

3.2.4 添加LICENSE和作者信息

LICENSE 是必须添加的，
否则的话编译的时候会报错，作者信息可以添加也可以不添加。LICENSE 和作者信息的添加
使用如下两个函数：
MODULE_LICENSE() //添加模块 LICENSE 信息
MODULE_AUTHOR() //添加模块作者信息
GPL（GNU General Public License，GNU通用公共许可证）是一种开源软件许可协议，由自由软件基金会（FSF）制定，旨在保护软件自由的使用、修改和再发布权利。
GPL 是“你用了我的代码，你就得开源你的代码” 的开源协议。

3.3设备号

3.3.1什么是设备号

设备号（Device Number）是 Linux 内核中用于标识一个设备的数字标识，它由两个部分组成：

🧩 1. 主设备号（Major Number）
表示这个设备属于哪一个驱动程序。
也就是说，哪个内核驱动模块来处理这个设备的请求。

🧩 2. 次设备号（Minor Number）
表示由同一个驱动程序管理的多个设备中的哪一个。
相当于：驱动负责整条生产线，次设备号表示哪个产品。
Linux 提供了一个名为 dev_t 的数据类型表示设备号，dev_t 定义在文件 include/linux/types.h 里面，定义
如下：

13 typedef u32 __kernel_dev_t;
......
16 typedef __kernel_dev_t dev_t;

可以看出 dev_t 是 u32 类型的，也就是 unsigned int，所以 dev_t 其实就是 unsigned int 类型，是一个 32 位的数据类型。这 32 位的数据构成了主设备号和次设备号两部分，其中高 12位为主设备号，低 20 位为次设备号。因此 Linux 系统中主设备号范围为 0~4095，所以大家在选择主设备号的时候一定不要超过这个范围。

在文件 include/linux/kdev_t.h 中提供了几个关于设备号的操作函数(本质是宏)，如下所示：

7 #define MINORBITS 20
8 #define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)
9 
10 #define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
11 #define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
12 #define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

第 7 行，宏 MINORBITS 表示次设备号位数，一共是 20 位。
第 8 行，宏 MINORMASK 表示次设备号掩码。
第 10 行，宏 MAJOR 用于从 dev_t 中获取主设备号，将 dev_t 右移 20 位即可。
第 11 行，宏 MINOR 用于从 dev_t 中获取次设备号，取 dev_t 的低 20 位的值即可。
第 12 行，宏 MKDEV 用于将给定的主设备号和次设备号的值组合成 dev_t 类型的设备
号。

3.3.2 设备号的分配

设备号分配为：静态分配和动态分配

1、静态分配
cat /proc/devices 查看当前设备中使用的设备号如果没有被使用的设备号就能注册
2、动态分配
在注册字符设备之前先申请一个设备号，系统会自动给你一个没有被使用的设备号，这样就避免了冲突。卸载驱动的时候释放掉这个设备号即可，设备号的申请函数如下

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)

函数 alloc_chrdev_region 用于申请设备号，此函数有 4 个参数：
dev：保存申请到的设备号。
baseminor：次设备号起始地址，alloc_chrdev_region 可以申请一段连续的多个设备号，这
些设备号的主设备号一样，但是次设备号不同，次设备号以 baseminor 为起始地址地址开始递
增。一般 baseminor 为 0，也就是说次设备号从 0 开始。
count：要申请的设备号数量。
name：设备名字。

注销字符设备之后要释放掉设备号，设备号释放函数如下：

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

此函数有两个参数：
from：要释放的设备号。
count：表示从 from 开始，要释放的设备号数量。

3.4 chrdevbase 字符设备驱动开发实验

我们就以 chrdevbase 这个虚拟设备为
例，完整的编写一个字符设备驱动模块。chrdevbase 不是实际存在的一个设备，是为了方便讲解字符设备的开发而引入的一个虚拟设备。chrdevbase 设备有两个缓冲区，一个读缓冲区，一个写缓冲区，这两个缓冲区的大小都为 100 字节。在应用程序中可以向 chrdevbase 设备的写缓冲区中写入数据，从读缓冲区中读取数据。
驱动文件

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>#define CHRDEVBASE_MAJOR	200				/* 主设备号 */
#define CHRDEVBASE_NAME		"chrdevbase" 	/* 设备名     */static char readbuf[100];		/* 读缓冲区 */
static char writebuf[100];		/* 写缓冲区 */
static char kerneldata[] = {"kernel data!"};/** @description		: 打开设备* @param - inode 	: 传递给驱动的inode* @param - filp 	: 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量* 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。* @return 			: 0 成功;其他 失败*/
static int chrdevbase_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{//printk("chrdevbase open!\r\n");return 0;
}/** @description		: 从设备读取数据 * @param - filp 	: 要打开的设备文件(文件描述符)* @param - buf 	: 返回给用户空间的数据缓冲区* @param - cnt 	: 要读取的数据长度* @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移* @return 			: 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败*/
static ssize_t chrdevbase_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue = 0;/* 向用户空间发送数据 */memcpy(readbuf, kerneldata, sizeof(kerneldata));retvalue = copy_to_user(buf, readbuf, cnt);if(retvalue == 0){printk("kernel senddata ok!\r\n");}else{printk("kernel senddata failed!\r\n");}//printk("chrdevbase read!\r\n");return 0;
}/** @description		: 向设备写数据 * @param - filp 	: 设备文件，表示打开的文件描述符* @param - buf 	: 要写给设备写入的数据* @param - cnt 	: 要写入的数据长度* @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移* @return 			: 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败*/
static ssize_t chrdevbase_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue = 0;/* 接收用户空间传递给内核的数据并且打印出来 */retvalue = copy_from_user(writebuf, buf, cnt);if(retvalue == 0){printk("kernel recevdata:%s\r\n", writebuf);}else{printk("kernel recevdata failed!\r\n");}//printk("chrdevbase write!\r\n");return 0;
}/** @description		: 关闭/释放设备* @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)* @return 			: 0 成功;其他 失败*/
static int chrdevbase_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{//printk("chrdevbase release！\r\n");return 0;
}/** 设备操作函数结构体*/
static struct file_operations chrdevbase_fops = {.owner = THIS_MODULE,	.open = chrdevbase_open,.read = chrdevbase_read,.write = chrdevbase_write,.release = chrdevbase_release,
};/** @description	: 驱动入口函数 * @param 		: 无* @return 		: 0 成功;其他 失败*/
static int __init chrdevbase_init(void)
{int retvalue = 0;/* 注册字符设备驱动 */retvalue = register_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME, &chrdevbase_fops);if(retvalue < 0){printk("chrdevbase driver register failed\r\n");}printk("chrdevbase init!\r\n");return 0;
}/** @description	: 驱动出口函数* @param 		: 无* @return 		: 无*/
static void __exit chrdevbase_exit(void)
{/* 注销字符设备驱动 */unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME);printk("chrdevbase exit!\r\n");
}/* * 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
module_init(chrdevbase_init);
module_exit(chrdevbase_exit);/* * LICENSE和作者信息*/
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("123");
MODULE_INFO(intree, "Y");

驱动程序书写流程：
1、写入口函数 出口函数

module_init(chrdevbase_init);
module_exit(chrdevbase_exit);

2、实现入口函数出口函数
入口函数中注册字符设备
出口函数注销字符设备

static int __init chrdevbase_init(void)
{int retvalue = 0;/* 注册字符设备驱动 */retvalue = register_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME, &chrdevbase_fops);if(retvalue < 0){printk("chrdevbase driver register failed\r\n");}printk("chrdevbase init!\r\n");return 0;
}/** @description	: 驱动出口函数* @param 		: 无* @return 		: 无*/
static void __exit chrdevbase_exit(void)
{/* 注销字符设备驱动 */unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME);printk("chrdevbase exit!\r\n");
}

3、实现file_operations 结构体 和open read write release函数

/** @description		: 打开设备* @param - inode 	: 传递给驱动的inode* @param - filp 	: 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量* 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。* @return 			: 0 成功;其他 失败*/
static int chrdevbase_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{//printk("chrdevbase open!\r\n");return 0;
}/** @description		: 从设备读取数据 * @param - filp 	: 要打开的设备文件(文件描述符)* @param - buf 	: 返回给用户空间的数据缓冲区* @param - cnt 	: 要读取的数据长度* @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移* @return 			: 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败*/
static ssize_t chrdevbase_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue = 0;/* 向用户空间发送数据 */memcpy(readbuf, kerneldata, sizeof(kerneldata));retvalue = copy_to_user(buf, readbuf, cnt);if(retvalue == 0){printk("kernel senddata ok!\r\n");}else{printk("kernel senddata failed!\r\n");}//printk("chrdevbase read!\r\n");return 0;
}/** @description		: 向设备写数据 * @param - filp 	: 设备文件，表示打开的文件描述符* @param - buf 	: 要写给设备写入的数据* @param - cnt 	: 要写入的数据长度* @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移* @return 			: 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败*/
static ssize_t chrdevbase_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue = 0;/* 接收用户空间传递给内核的数据并且打印出来 */retvalue = copy_from_user(writebuf, buf, cnt);if(retvalue == 0){printk("kernel recevdata:%s\r\n", writebuf);}else{printk("kernel recevdata failed!\r\n");}//printk("chrdevbase write!\r\n");return 0;
}/** @description		: 关闭/释放设备* @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)* @return 			: 0 成功;其他 失败*/
static int chrdevbase_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{//printk("chrdevbase release！\r\n");return 0;
}/** 设备操作函数结构体*/
static struct file_operations chrdevbase_fops = {.owner = THIS_MODULE,	.open = chrdevbase_open,.read = chrdevbase_read,.write = chrdevbase_write,.release = chrdevbase_release,
};

APP文件

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"static char usrdata[] = {"usr data!"};/** @description		: main主程序* @param - argc 	: argv数组元素个数* @param - argv 	: 具体参数* @return 			: 0 成功;其他 失败*/
int main(int argc, char *argv[])
{int fd, retvalue;char *filename;char readbuf[100], writebuf[100];if(argc != 3){printf("Error Usage!\r\n");return -1;}filename = argv[1];/* 打开驱动文件 */fd  = open(filename, O_RDWR);if(fd < 0){printf("Can't open file %s\r\n", filename);return -1;}if(atoi(argv[2]) == 1){ /* 从驱动文件读取数据 */retvalue = read(fd, readbuf, 50);if(retvalue < 0){printf("read file %s failed!\r\n", filename);}else{/*  读取成功，打印出读取成功的数据 */printf("read data:%s\r\n",readbuf);}}if(atoi(argv[2]) == 2){/* 向设备驱动写数据 */memcpy(writebuf, usrdata, sizeof(usrdata));retvalue = write(fd, writebuf, 50);if(retvalue < 0){printf("write file %s failed!\r\n", filename);}}/* 关闭设备 */retvalue = close(fd);if(retvalue < 0){printf("Can't close file %s\r\n", filename);return -1;}return 0;
}

Makefile

KERNELDIR := /home/lk/rk3588_linux_sdk/kernel
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
# obj-m 是内核模块编译规则中的一个特殊变量。
# obj-m 定义了要生成的模块目标文件（即 .ko 文件）。
# obj-m 表示编译时将 chrdevbase.o 作为模块（module）对象，最终会生成 chrdevbase.ko。
# chrdevbase.o# chrdevbase.o 是将 chrdevbase.c 文件编译为目标文件（.o 文件）的名称。
# 生成的目标文件会自动链接成内核模块 chrdevbase.ko。
obj-m := chrdevbase.o
# make 会首先检查 kernel_modules 目标。
# 如果 kernel_modules 目标没有生成或需要更新，make 会执行 kernel_modules 的命令。
# 执行完 kernel_modules 后，build 目标就算完成了。
build : kernel_modules# kernel_modules# 定义一个名为 kernel_modules 的目标。
# 当执行 make kernel_modules 时，会触发后面的命令。# $(MAKE)# $(MAKE) 是一个特殊的变量，表示 make 命令本身。
# 使用 $(MAKE) 而不是直接调用 make 可以在嵌套调用时保持参数一致性。
# -C $(KERNELDIR)# -C 选项表示切换到 $(KERNELDIR) 目录下执行命令。
# $(KERNELDIR) 是一个变量，通常指定为 Linux 内核源码的构建目录。
# 在内核源码目录中调用 make 会使用内核的构建系统。
# M=$(CURRENT_PATH)# M= 选项告诉内核构建系统，当前模块的源代码位于 $(CURRENT_PATH) 目录下。
# modules# modules 是内核构建系统的一个目标，表示要构建模块（.ko 文件）。
# 当传入 modules 目标时，内核会根据 obj-m 定义的模块进行编译。
# 总结  使用make buil 就会检查kernel_modules是否存在或者更新 ，kernel_modules会执行$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
#也就是 make 内核路径 当前文件路径 生成modules即obj-m 对应的 chrdevbase.o生成chrdevbase.ko文件
kernel_modules :$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

Makefile 用法 根据配置
KERNELDIR := /home/lk/rk3588_linux_sdk/kernel
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := chrdevbase.o
运行build 然后运行kernel_modules 后的
其中:= 是简单赋值 :是目标依赖
M= 是 Make 运行参数，不是 Makefile 自身定义变量的语法
-C：切换目录到内核源码目录
modules：告诉它“我要构建模块”


http://www.mrgr.cn/news/98469.html

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