linux实现设备驱动-字符型设备驱动

一、linux驱动分类

（1）字符设备驱动 (Character Device Driver):

• 特点: 数据按字节流 (byte stream) 形式访问，即数据访问有严格的顺序性。
• 数据传输为字节流形式，顺序读写，不带缓存，无固定块大小。
• 通常采用中断驱动或轮询方式处理 I/O 请求，响应实时性较强。
• 设备节点通常位于 /dev 目录下，通过文件描述符进行操作。
• 示例: LED灯、按键、串口(UART)等，输入输出设备（鼠标、键盘、屏幕、摄像头）
• 管理方式: 通过设备号 (Device Number) 管理。

（2）块设备驱动 (Block Device Driver):

• 特点: 数据以固定大小的块 (block)（大小为512k） 为单位进行访问，带缓存，通常用于存储设备。
• 示例: 硬盘、SSD、U盘等。访问时可以随机读取任意位置的数据，不受顺序限制。
• 管理方式: 通过设备号 (Device Number) 管理。

（3）网络设备驱动 (Network Device Driver):

• 特点: 集成复杂的协议栈 (Protocol Stack)，如TCP/IP、UDP等。
• 示例: 网卡。
• 管理方式: 按照名字 (Name) 管理，如 ens33。

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（1）字符型设备驱动：

1.字符型设备驱动不自动生成设备节点（‘myled）

• 手动创建设备节点 ：（在开发板中创建）

①前提条件：开发板已运行 Linux 内核，且需知道目标设备的主设备号和次设备号（可通过内核日志dmesg或驱动代码获取）。

②

③验证与权限设置：

• 自动生成设备节点 class_create() device_create()

在init函数中调用class_create和device_create接口，结合sysfs自动生成设备节点。

2.设备号 (Device Number)：设备号是内核用于管理驱动设备的一个32位无符号整数 (u32)。它被划分为两部分：

• 主设备号 (Major Number): 高12位，用于区分设备类型。例如，所有LED灯使用同一个主设备号，所有按键使用另一个主设备号。
• 次设备号 (Minor Number): 低20位，用于区分同一类型设备中的不同个体。例如，4个LED灯分别使用不同的次设备号（0, 1, 2, 3）。

（2）嵌入式 Linux 设备驱动调用流程示意图分析：

1.用户应用层（user app）

• 应用程序通过open(led)或fopen(led)发起设备操作请求，依赖libc库将请求转换为系统调用。

2. 根文件系统层（rootfs）

• 设备节点（如led_1、key_2、uart_3）存在于 /dev 目录，是用户层与驱动层的交互入口。

3. 系统调用与驱动管理层

• 系统调用syscall_open(led)将用户请求传入内核，内核通过设备号匹配对应的驱动（如 LED 驱动匹配设备号 1）。
• 内核驱动管理模块（含open操作与驱动索引 “1、2、3”）负责分发请求到具体驱动。

4. 设备驱动层

• 包含LED_DRV、KEY_DRV、UART_DRV三类字符设备驱动，是硬件操作的直接实现层，完成如 LED 点亮、按键检测、串口数据收发等具体功能。

5. 硬件设备层

• 对应实际硬件（LED、KEY、UART），驱动通过硬件寄存器、中断等机制完成物理层操作。

（3）字符型设备驱动开发流程：

将驱动程序写在内核顶层目录/driver/char目录下：

1.Linux 内核模块的 “标准注册接口”：

确保驱动能被内核正确加载和卸载，是字符设备驱动（如示例中的 LED 驱动）模块化管理的关键实现。

2.确定设备号，设备名称：

为驱动程序分配一个唯一的设备号。通常，主设备号从较大的数字开始分配（如255），因为较小的号码已被系统占用。

// 定义主设备号、次设备号和设备名称
#define MAJOR_NUM 248 // 主设备号
#define MINOR_NUM 0   // 次设备号
#define DEV_NAME "led1" // 设备名称

3.定义并实现操作方法 (file_operations结构体)

定义一个 struct file_operations 结构体（驱动层操作函数集合），其中包含指向驱动程序具体操作函数的指针，如 open, read, write, release (close)。

// 声明操作函数原型
static int open(struct inode *node, struct file *file);
static ssize_t read(struct file *file, char __user *buf, size_t len, loff_t *loff);
static ssize_t write(struct file *file, const char __user *buf, size_t len, loff_t *loff);
static int close(struct inode *node, struct file *file);// 定义并初始化 file_operations 结构体
static struct file_operations fops = {.owner = THIS_MODULE, // 指向当前模块，用于防止模块在被引用时被卸载.open = open,         // 绑定 open 函数.read = read,         // 绑定 read 函数.write = write,       // 绑定 write 函数.release = close      // 绑定 release (close) 函数
};

4. 定义一个cdev结构体：

描述字符型设备相关的信息（设备号、设备名称...），绑定设备号与操作方法

static dev_t devno;          // 设备号变量
static struct cdev cdev;     // cdev 结构体实例// 在模块初始化函数中执行绑定
static int __init led1_init(void)
{int ret = 0;// 1. 使用 MKDEV 宏组合主、次设备号devno = MKDEV(MAJOR_NUM, MINOR_NUM);// 2. 初始化 cdev 结构体，关联操作方法cdev_init(&cdev, &fops);// 3. 将 cdev 添加到内核中，指定设备号和数量ret = cdev_add(&cdev, devno, 1);if(ret < 0)goto err_cdev_add; // 错误处理...
}

5.实现对应init函数（向内核注册驱动入口函数 insmod xxx.ko）

①注册字符型设备

• 静态注册：register_chrdev_region(使用预先定义的 MAJOR_NUM 和 MINOR_NUM 向内核申请设备号范围)
• 动态注册：alloc_chrdev_region（如果静态省请未成功，系统自动分配一个未被占用的设备号）

②初始化cdev结构体：

③将cdev结构体添加到系统：

④自动生成设备节点：

6.驱动层实现硬件交互逻辑在read/write等接口中，通过寄存器操作、中断处理或 DMA 完成硬件数据读写。

7.注销与清理：实现对应exit函数（驱动注销函数 rmmod xxx）

①注销字符型设备：unregister_chrdev_region()；

②注销cdev结构体 ：cdev_del（）；

③删除类和设备节点 class_destroy() ；device_destroy()

④释放硬件资源 ：iounmap（）；

8.应用程序调用流程

用户程序通过标准库函数（如 open, read, write）发起系统调用，最终由内核调用驱动程序中对应的函数。

// 用户空间应用程序 (led1_app.c)
int main(int argc, const char *argv[])
{int fd = open("/dev/led1", O_RDWR); // 调用 open 系统调用if(fd < 0) { /* 错误处理 */ }write(fd, "ledon", 5);  // 调用 write 系统调用write(fd, "ledoff", 6); // 调用 write 系统调用close(fd); // 调用 close 系统调用return 0;
}

编写驱动→配置 Makefile，Kconfig→动态编译生成.ko→加载测试→（可选）集成到内核。