字符设备驱动开发

1. 字符设备驱动简介

​ 字符设备是 Linux 驱动中最基本的一类设备驱动，字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的点灯、按键、 IIC、 SPI，LCD 等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。

​ 在 Linux 中一切皆为文件，驱动加载成功以后会在“/dev”目录下生成一个相应的文件，应用程序通过对这个名为“/dev/xxx” (xxx 是具体的驱动文件名字)的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。

​ linux 下的应用程序是如何调用驱动程序的? **Linux 应用程序对驱动程序的调用如图 **

​ 应用程序运行在用户空间，而 Linux 驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。当我们在用户空间想要实现对内核的操作，比如使用 open 函数打开/dev/led 这个驱动，因为用户空间不能直接对内核进行操作，因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间“陷入” 到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。

​ 因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间“陷入” 到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。 open、 close、 write 和 read 等这些函数是由 C 库提供的，在 Linux 系统中，系统调用作为 C 库的一部分。当我们调用 open 函数的时候流程如图

​ 应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数，比如应用程序中调用了 open 这个函数，那么在驱动程序中也得有一个名为 open 的函数。每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数，在 Linux 内核文件 include/linux/fs.h 中有个叫做 file_operations 的结构体，此结构体就是Linux 内核驱动操作函数集合，内容如下所示：

								示例代码 file_operations 结构体
1588 struct file_operations {
1589 struct module *owner;
1590 loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
1591 ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t*);
1592 ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t,loff_t *);
1593 ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
1594 ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
1595 int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
1596 unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct*);
1597 long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
1598 long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
1599 int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
1600 int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
1601 int (*open) (struct inode *, struct file *);
1602 int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
1603 int (*release) (struct inode *, struct file *);
1604 int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
1605 int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
1606 int (*fasync) (int, struct file *, int);
1607 int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
1608 ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t,loff_t *, int);
1609 unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long,unsigned long, unsigned long, unsigned long);
1610 int (*check_flags)(int);
1611 int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
1612 ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *,loff_t *, size_t, unsigned int);
1613 ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
1614 int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void**);
1615 long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
1616 loff_t len);
1617 void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
1618 #ifndef CONFIG_MMU
1619 unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
1620 #endif
1621 };

简单介绍一下 file_operation 结构体中比较重要的、常用的函数：
第 1589 行， owner 拥有该结构体的模块的指针，一般设置为 THIS_MODULE。
第 1590 行， llseek 函数用于修改文件当前的读写位置。
第 1591 行， read 函数用于读取设备文件。
第 1592 行， write 函数用于向设备文件写入(发送)数据。
第 1596 行， poll 是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。
第 1597 行， unlocked_ioctl 函数提供对于设备的控制功能，与应用程序中的 ioctl 函数对应。
第 1598 行， compat_ioctl 函数与 unlocked_ioctl 函数功能一样，区别在于在 64 位系统上，32 位的应用程序调用将会使用此函数。在 32 位的系统上运行 32 位的应用程序调用的是unlocked_ioctl。
第 1599 行， mmap 函数用于将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间)，一般帧缓冲设备会使用此函数，比如 LCD 驱动的显存，将帧缓冲(LCD 显存)映射到用户空间中以后应用程序就可以直接操作显存了，这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。
第 1601 行， open 函数用于打开设备文件。
第 1603 行， release 函数用于释放(关闭)设备文件，与应用程序中的 close 函数对应。
第 1604 行， fasync 函数用于刷新待处理的数据，用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。
第 1605 行， aio_fsync 函数与 fasync 函数的功能类似，只是 aio_fsync 是异步刷新待处理的数据。

​ 。我们在字符设备驱动开发中最主要的工作就是实现上面这些函数，不一定全部都要实现，但是像 open、 release、 write、 read 等都是需要实现的，当然了，具体需要实现哪些函数还是要看具体的驱动要求。

2 字符设备驱动开发步骤

2.1 驱动模块的加载和卸载

​ Linux 驱动有两种运行方式，第一种就是将驱动编译进 Linux 内核中，这样当 Linux 内核启动的时候就会自动运行驱动程序。第二种就是将驱动编译成模块(Linux 下模块扩展名为.ko)，在Linux 内核启动以后使用“insmod”命令加载驱动模块。

​ 在调试驱动的时候一般都选择将其编译为模块, 这样我们修改驱动以后只需要编译一下驱动代码即可，不需要编译整个 Linux 代码。

模块有加载和卸载两种操作，我们在编写驱动的时候需要注册这两种操作函数，模块的加载和卸载注册函数如下

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

​ module_init 函数用来向 Linux 内核注册一个模块加载函数，参数 xxx_init 就是需要注册的具体函数，当使用“insmod”命令加载驱动的时候， xxx_init 这个函数就会被调用。 module_exit()函数用来向 Linux 内核注册一个模块卸载函数，参数 xxx_exit 就是需要注册的具体函数，当使用“rmmod”命令卸载具体驱动的时候 xxx_exit 函数就会被调用。字符设备驱动模块加载和卸载模板如下所示：

									字符设备驱动模块加载和卸载函数模板
1 /* 驱动入口函数 */
2 static int __init xxx_init(void)
3 {
4 /* 入口函数具体内容 */
5 return 0;
6 }
7 
8 /* 驱动出口函数 */
9 static void __exit xxx_exit(void)
10 {
11 /* 出口函数具体内容 */
12 }
13
14 /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
15 module_init(xxx_init);
16 module_exit(xxx_exit);

​ 驱动编译完成以后扩展名为.ko，有两种命令可以加载驱动模块： insmod和modprobe， insmod是最简单的模块加载命令，此命令用于加载指定的.ko 模块，比如加载 drv.ko 这个驱动模块，命令如下：

insmod drv.ko

​ 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。但是 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/目录中查找模块，比如本书使用的 Linux kernel 的版本号为 4.1.15，因此 modprobe 命令默认会到/lib/modules/4.1.15 这个目录中查找相应的驱动模块，一般自己制作的根文件系统中是不会有这个目录的，所以需要自己手动创建。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.ko

​ 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。

2.2 字符设备注册与注销

字符设备的注册和注销函数原型如下所示:

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，关于设备号后面会详细讲解。
  * 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。

​ 一般字符设备的注册在驱动模块的入口函数 xxx_init 中进行，字符设备的注销在驱动模块的出口函数 xxx_exit 中进行。在示例代码中字符设备的注册和注销，内容如下

static struct file_operations test_fops;
3/* 驱动入口函数 */
4 static int __init xxx_init(void)
5 {
6 /* 入口函数具体内容 */
7 int retvalue = 0;
8 
9/* 注册字符设备驱动 */
10 		retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops);
11 		if(retvalue < 0){
12 /* 字符设备注册失败,自行处理 */
13 }
14 return 0;
15 }
16
17 /* 驱动出口函数 */
18 static void __exit xxx_exit(void)
19 {
20 /* 注销字符设备驱动 */
21 unregister_chrdev(200, "chrtest");
22 }
23
24 /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
25 module_init(xxx_init);
26 module_exit(xxx_exit);

• 第 1 行，定义了一个 file_operations 结构体变量 test_fops， test_fops 就是设备的操作函数集合，只是此时我们还没有初始化 test_fops 中的 open、 release 等这些成员变量，所以这个操作函数集合还是空的。

• 第 10 行，调用函数 register_chrdev 注册字符设备，主设备号为 200，设备名字为“chrtest”，设备操作函数集合就是第 1 行定义的 test_fops。要注意的一点就是，选择没有被使用的主设备号，输入命令“cat /proc/devices”可以查看当前已经被使用掉的设备号
  
  可以列出当前系统中所有的字符设备和块设备，其中第 1 列就是设备对应的主设备号。 200 这个主设备号在我的开发板中并没有被使用，所以我这里就用了 200 这个主设备号。

• 第 21 行，调用函数 unregister_chrdev 注销主设备号为 200 的这个设备。

2.3 实现设备的具体操作函数

file_operations 结构体就是设备的具体操作函数 ，初始化其中的open、release、 read 和 write 等具体的设备操作函数。

假设对 chrtest这个设备有如下两个要求：
1、能够对 chrtest 进行打开和关闭操作设备打开和关闭是最基本的要求，几乎所有的设备都得提供打开和关闭的功能。因此我们需要实现 file_operations 中的 open 和 release 这两个函数。
2、对 chrtest 进行读写操作
假设 chrtest 这个设备控制着一段缓冲区(内存)，应用程序需要通过 read 和 write 这两个函数对 chrtest 的缓冲区进行读写操作。所以需要实现 file_operations 中的 read 和 write 这两个函数 。

1 /* 打开设备 */
2 static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp)
3 {
4 /* 用户实现具体功能 */
5 return 0;
6 }
7 
8/* 从设备读取 */
9 static ssize_t chrtest_read(struct file *filp, char __user *buf,size_t cnt, loff_t *offt)
10 {
11 /* 用户实现具体功能 */
12 return 0;
13 }
14
15 /* 向设备写数据 */
16 static ssize_t chrtest_write(struct file *filp,const char __user *buf,size_t cnt, loff_t *offt)
17 {
18 /* 用户实现具体功能 */
19 return 0;
20 }
21
22 /* 关闭/释放设备 */
23 static int chrtest_release(struct inode *inode, struct file *filp)
24 {
25 /* 用户实现具体功能 */
26 return 0;
27 }
28
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 };
36
37 /* 驱动入口函数 */
38 static int __init xxx_init(void)
39 {
40 /* 入口函数具体内容 */
41 int retvalue = 0;
42
43 /* 注册字符设备驱动 */
44 retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops);
45 if(retvalue < 0){
46 /* 字符设备注册失败,自行处理 */
47 }
48 return 0;
49 }
50
51 /* 驱动出口函数 */
52 static void __exit xxx_exit(void)
53 {
54 /* 注销字符设备驱动 */
55 unregister_chrdev(200, "chrtest");
56 }
57
58 /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */
59 module_init(xxx_init);
60 module_exit(xxx_exit);

​ 编写了四个函数： chrtest_open、 chrtest_read、 chrtest_write和 chrtest_release。这四个函数就是 chrtest 设备的 open、 read、 write 和 release 操作函数。第 29行~35 行初始化 test_fops 的 open、 read、 write 和 release 这四个成员变量。

2.4 添加 LICENSE 和作者信息

​ 在驱动中加入 LICENSE 信息和作者信息，其中 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

3 Linux 设备号

3.1 设备号的组成

​ Linux 中每个设备都有一个设备号，设备号由主设备号和次设备号两部分组成，主设备号表示某一个具体的驱动，次设备号表示使用这个驱动的各个设备。 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：

											设备号 dev_t
typedef __u32 __kernel_dev_t;
......
typedef __kernel_dev_t dev_t;

typedef unsigned int __u32;

​ 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，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)

           									设备号操作函数
6  #define MINORBITS 20
7  #define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)
8
9  #define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
10 #define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
11 #define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

第 6 行，宏 MINORBITS 表示次设备号位数，一共是 20 位。
第 7 行，宏 MINORMASK 表示次设备号掩码。
第 9 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 10 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 11 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。

3.2 设备号的分配

1、静态分配设备号

​ 使用“cat /proc/devices”命令即可查看当前系统中所有已经使用了的设备号, 已经分配掉的主设备号我们就不能用了 。

2、动态分配设备号

​ Linux 社区推荐使用动态分配设备号，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)

• from：要释放的设备号。
• count： 表示从 from 开始，要释放的设备号数量。

4 chrdevbase 字符设备驱动开发实验

​ 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，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，一个为读缓冲区，一个为写缓冲区，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。 chrdevbase 这个虚拟设备的功能很简单，但是它包含了字符设备的最基本功能 .

4.1 实验程序编写

​ 应用程序调用 open 函数打开 chrdevbase 这个设备，打开以后可以使用 write 函数向chrdevbase 的写缓冲区 writebuf 中写入数据(不超过 100 个字节)，也可以使用 read 函数读取读缓冲区 readbuf 中的数据操作，操作完成以后应用程序使用 close 函数关闭 chrdevbase 设备。

• chrdevbase.c 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("kaka");

​ 使用了 printk 来输出信息, 而不是 printf！因为在 Linux 内核中没有 printf 这个函数。 printk 相当于 printf 的孪生兄妹， printf
运行在用户态， printk 运行在内核态。在内核中想要向控制台输出或显示一些内容，必须使用printk 这个函数。printk 可以根据日志级别对消息进行分类，一共有 8 个消息级别，这 8 个消息级别定义在文件 include/linux/kern_levels.h 里面，定义如下：

#define KERN_SOH "\001"
#define KERN_EMERG KERN_SOH "0" /* 紧急事件，一般是内核崩溃 */
#define KERN_ALERT KERN_SOH "1" /* 必须立即采取行动 */
#define KERN_CRIT KERN_SOH "2" /* 临界条件，比如严重的软件或硬件错误*/
#define KERN_ERR KERN_SOH "3" /* 错误状态，一般设备驱动程序中使用
										KERN_ERR 报告硬件错误 */
#define KERN_WARNING KERN_SOH "4" /* 警告信息，不会对系统造成严重影响 */
#define KERN_NOTICE KERN_SOH "5" /* 有必要进行提示的一些信息 */
#define KERN_INFO KERN_SOH "6" /* 提示性的信息 */
#define KERN_DEBUG KERN_SOH "7" /* 调试信息 */

​ 参数 filp 有个叫做 private_data 的成员变量， private_data 是个 void 指针，一般在驱动中将private_data 指向设备结构体，设备结构体会存放设备的一些属性。

​ chrdevbase_read 函数，应用程序调用 read 函数从设备中读取数据的时候此函数会执行。参数 buf 是用户空间的内存，读取到的数据存储在 buf 中，参数 cnt 是要读取的字节数，参数 offt 是相对于文件首地址的偏移。 kerneldata 里面保存着用户空间要读取的数据，先将 kerneldata 数组中的数据拷贝到读缓冲区 readbuf 中，通过函数 copy_to_user 将readbuf 中的数据复制到参数 buf 中。因为内核空间不能直接操作用户空间的内存，因此需要借助 copy_to_user 函数来完成内核空间的数据到用户空间的复制。 copy_to_user 函数原型如下：

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

​ 参数 to 表示目的，参数 from 表示源，参数 n 表示要复制的数据长度。如果复制成功，返回值为 0，如果复制失败则返回负数

​ chrdevbase_write 函数，应用程序调用 write 函数向设备写数据的时候此函数就会执行。参数 buf 就是应用程序要写入设备的数据，也是用户空间的内存，参数 cnt 是要写入的数据长度，参数 offt 是相对文件首地址的偏移。通过函数 copy_from_user 将 buf 中的数据复制到写缓冲区 writebuf 中，因为用户空间内存不能直接访问内核空间的内存，所以需要借助函数 copy_from_user 将用户空间的数据复制到 writebuf 这个内核空间中

​ chrdevbase_release 函数，应用程序调用 close 关闭设备文件的时候此函数会执行，一般会在此函数里面执行一些释放操作。如果在 open 函数中设置了 filp 的 private_data成员变量指向设备结构体，那么在 release 函数最终就要释放掉。

4.2 编写测试 APP

​ 驱动编写好以后是需要测试的，一般编写一个简单的测试 APP，测试 APP 运行在用户空间。测试 APP 很简单通过输入相应的指令来对 chrdevbase 设备执行读或者写操作。

#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;
}

​ 判断运行测试 APP 的时候输入的参数是不是为 3 个， main 函数的 argc 参数表示参数数量， argv[]保存着具体的参数，如果参数不为 3 个的话就表示测试 APP 用法错误。比如，现在要从 chrdevbase 设备中读取数据，需要输入如下命令：

/chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 1

4.3 编译驱动程序和测试 APP

1、编译驱动程序
首先编译驱动程序，也就是 chrdevbase.c 这个文件，我们需要将其编译为.ko 模块，创建Makefile 文件，然后在其中输入如下内容：

KERNELDIR := /home/kaka/linux/IMX6ULL/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)

obj-m := chrdevbase.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

• 第 1 行， KERNELDIR 表示开发板所使用的 Linux 内核源码目录，使用绝对路径，大家根据自己的实际情况填写即可。

• 第 2 行， CURRENT_PATH 表示当前路径，直接通过运行“pwd”命令来获取当前所处路径。

• 第 3 行， obj-m 表示将 chrdevbase.c 这个文件编译为 chrdevbase.ko 模块。

• 第 8 行，具体的编译命令，后面的 modules 表示编译模块， -C 表示将当前的工作目录切换到指定目录中，也就是 KERNERLDIR 目录。 M 表示模块源码目录，“make modules”命令中加入 M=dir 以后程序会自动到指定的 dir 目录中读取模块的源码并将其编译为.ko 文件。

  Makefile 编写好以后输入“make”命令编译驱动模块，编译过程如图
  

2、编译测试 APP
因为测试 APP 是要在 ARM 开发板上运行的，所以需要使用 arm-linux-gnueabihf-gcc 来编译，输入如下命令：

arm-linux-gnueabihf-gcc chrdevbaseApp.c -o chrdevbaseApp

4.4 运行测试

1、加载驱动模块

​ 驱动模块 chrdevbase.ko 和测试软件 chrdevbaseAPP 都已经准备好了，接下来就是运行测试。为了方便测试， Linux 系统选择通过 TFTP 从网络启动，并且使用 NFS 挂载网络根文件系统，确保 uboot 中 bootcmd 环境变量的值为：

setenv bootcmd 'tftp 80800000 zImage;tftp 83000000 imx6ull-alientek-emmc.dtb;bootz 80800000 - 83000000'

bootargs 环境变量的值为：

setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.253:/home/kaka/linux/nfs/rootfs,proto=tcp rw ip=192.168.1.50:192.168.1.253:192.168.1.1:255.255.255.0::eth0:off '

​ 检查开发板根文件系统中有没有“/lib/modules/4.1.15”这个目录，如果没有的话自行创建。 注意，“/lib/modules/4.1.15”这个目录用来存放驱动模块，使用modprobe 命令加载驱动模块的时候，驱动模块要存放在此目录下。“/lib/modules”是通用的，不管你用的什么板子、什么内核，这部分是一样的。不一样的是后面的“4.1.15”，这里要根据你所使用的 Linux 内核版本来设置 ，否则 modprobe 命令无法加载驱动模块。

​ 因为是通过 NFS 将 Ubuntu 中的 rootfs(目录挂载为根文件系统，所以可以很方便的将 chrdevbase.ko 和 chrdevbaseAPP 复制到 rootfs/lib/modules/4.1.15 目录中，命令如下：

cp chrdevbase.ko chrdevbaseApp /home/kaka/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15

输入如下命令加载 chrdevbase.ko 驱动文件：

insmod chrdevbase.ko

或

modprobe chrdevbase.ko

如果使用 modprobe 加载驱动的话，可能会出现如图所示的提示：

/lib/modules/4.1.15 # modprobe chrdevbase.ko
modprobe: can't open 'modules.dep': No such file or directory
/lib/modules/4.1.15 #

​ modprobe 提示无法打开“modules.dep”这个文件，因此驱动挂载失败了。我们不用手动创建 modules.dep 这个文件，直接输入 depmod 命令即可自动生成modules.dep，有些根文件系统可能没有 depmod 这个命令，如果没有这个命令就只能重新配置busybox，使能此命令，然后重新编译 busybox**。输入“depmod”命令以后会自动生成 modules.alias、modules.symbols 和 modules.dep 这三个文件，如图**

/lib/modules/4.1.15 # modprobe chrdevbase.ko
modprobe: can't open 'modules.dep': No such file or directory
/lib/modules/4.1.15 # cd -
/
/ # depmod
/ # cd -
/lib/modules/4.1.15
/lib/modules/4.1.15 # ls
chrdevbase.ko    modules.alias    modules.symbols
chrdevbaseApp    modules.dep

重新使用 modprobe 加载 chrdevbase.ko

/ # modprobe chrdevbase.ko
chrdevbase init!

可以看到“chrdevbase init！”这一行，这一行正是 chrdevbase.c 中模块入口函数 chrdevbase_init 输出的信息，说明模块加载成功！

输入“lsmod”命令即可查看当前系统中存在的模块

/ # lsmod
Module                  Size  Used by    Tainted: G
chrdevbase              1946  0

输入如下命令查看当前系统中有没有 chrdevbase 这个设备：

/ # cat /proc/devices
Character devices:
  1 mem
  4 /dev/vc/0
  4 tty
  5 /dev/tty
  5 /dev/console
  5 /dev/ptmx
  7 vcs
 10 misc
 13 input
 14 sound
 29 fb
 81 video4linux
 89 i2c
 90 mtd
108 ppp
116 alsa
128 ptm
136 pts
166 ttyACM
180 usb
188 ttyUSB
189 usb_device
200 chrdevbase

可以看出，当前系统存在 chrdevbase 这个设备，主设备号为 200，跟我们设置的主设备号一致。

2、创建设备节点文件

​ 驱动加载成功需要在/dev 目录下创建一个与之对应的设备节点文件，应用程序就是通过操作这个设备节点文件来完成对具体设备的操作。输入如下命令创建/dev/chrdevbase 这个设备节点文件

mknod /dev/chrdevbase c 200 0

​ 其中**“mknod”是创建节点命令**，“/dev/chrdevbase”是要创建的节点文件，“c”表示这是个字符设备，“ 200”是设备的主设备号，“ 0”是设备的次设备号。创建完成以后就会存在/dev/chrdevbase 这个文件，可以使用“ls /dev/chrdevbase -l”命令查看，结果如图

/ # mknod /dev/chrdevbase c 200 0
/ # ls /dev/chrdevbase -l
crw-r--r--    1 root     0         200,   0 Jan  1 01:48 /dev/chrdevbase
/ #

​ 如果 chrdevbaseAPP 想要读写 chrdevbase 设备，直接对/dev/chrdevbase 进行读写操作即可。相当于/dev/chrdevbase 这个文件是 chrdevbase 设备在用户空间中的实现。

3、 chrdevbase 设备操作测试

使用 chrdevbaseApp 软件操作 chrdevbase 这个设备，看看读写是否正常，首先进行读操作，输入如下命令：

/lib/modules/4.1.15 # ./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 1
kernel senddata ok!			//驱动中chrdevbase_read函数输出的信息
read data:kernel data!		//测试APP输出收到数据
/lib/modules/4.1.15 # ./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 2
kernel recevdata:usr data!  //驱动中chrdevbase_write函数输出的信息
/lib/modules/4.1.15 #

4、卸载驱动模块

如果不再使用某个设备的话可以将其驱动卸载掉，比如输入如下命令卸载掉 chrdevbase 这个设备：

rmmod chrdevbase.ko

/lib/modules/4.1.15 # rmmod chrdevbase.ko
chrdevbase exit!
/lib/modules/4.1.15 # lsmod
Module                  Size  Used by    Tainted: G

此时系统已经没有任何模块了， chrdevbase 这个模块也不存在了，说明模块卸载成功。