7、Linux驱动开发：设备

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7、Linux驱动开发：设备

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  随着自己工作的进行，接触到的技术栈也越来越多。给我一个很直观的感受就是，某一项技术/经验在刚开始接触的时候都记得很清楚。往往过了几个月都会忘记的差不多了，只有经常会用到的东西才有可能真正记下来。存在很多在特殊情况下有一点用处的技巧，用的不多的技巧可能一个星期就忘了。

  想了很久想通过一些手段把这些事情记录下来。也尝试过在书上记笔记，这也只是一时的，书不在手边的时候那些笔记就和没记一样，不是很方便。

  很多时候我们遇到了问题，一般情况下都是选择在搜索引擎检索相关内容，这样来的也更快一点，除非真的找不到才会去选择翻书。后来就想到了写博客，博客作为自己的一个笔记平台倒是挺合适的。随时可以查阅，不用随身携带。

  同时由于写博客是对外的，既然是对外的就不能随便写，任何人都可以看到。经验对于我来说那就只是经验而已，公布出来说不一定我的一些经验可以帮助到其他的人。遇到和我相同问题时可以少走一些弯路。

  既然决定了要写博客，那就只能认真去写。不管写的好不好，尽力就行。千里之行始于足下，一步一个脚印，慢慢来 ，写的多了慢慢也会变好的。权当是记录自己的成长的一个过程，等到以后再往回看时，就会发现自己以前原来这么菜😂。

  本系列博客所述资料均来自互联网资料，并不是本人原创（只有博客是自己写的）。出于热心，本人将自己的所学笔记整理并推出相对应的使用教程，方面其他人学习。为国内的物联网事业发展尽自己的一份绵薄之力，没有为自己谋取私利的想法。若出现侵权现象，请告知本人，本人会立即停止更新，并删除相应的文章和代码。

前言

  在前面两小节中，我们学习到了设备注册。可以将一个设备驱动注册到内核中。设备注册完成后，还需要通过mknod指令在用户空间中手动创建该驱动对应的设备节点。

root@ubuntu:# mknod /dev/hello_test0 c 237 0

  该命令在执行是不会检查参数的合法性。也不会检查设备驱动是否存在。如果系统中所有的驱动都通过该方法创建设备节点，就会出现一个问题。当设备未接入时，就可能会出现很多的设备节点。

  实际上Linux内核为我们提供了一组函数，可以在模块加载的时候自动在/dev目录下创建相应设备节点，并在卸载模块时删除该节点，当然前提条件是用户空间移植了udev。

udev

  udev是一个工作在用户空间的工具，它能根据系统中硬件设备的状态动态的更新设备文件，包括设备文件的创建，删除，权限等。这些文件通常都定义在/dev 目录下，但也可以在配置文件中指定。

  当插入新设备—>加入驱动模块—>在sysfs上注册新的数据后，udev会自动创建新的设备节点。udev运行在用户模式中，而并非内核中。

接口

  内核中定义了struct class结构体，顾名思义，一个struct class结构体类型变量对应一个类。代码中出现的class指的是 设备类（device classes），是对于设备的高级抽象。但 实际上class也是一个结构体，只不过class结构体在声明时是按照类的思想来组织其成员的。

/*** struct class - device classes* @name:	Name of the class.* @owner:	The module owner.* @class_attrs: Default attributes of this class.* @dev_groups:	Default attributes of the devices that belong to the class.* @dev_kobj:	The kobject that represents this class and links it into the hierarchy.* @dev_uevent:	Called when a device is added, removed from this class, or a*		few other things that generate uevents to add the environment*		variables.* @devnode:	Callback to provide the devtmpfs.* @class_release: Called to release this class.* @dev_release: Called to release the device.* @suspend:	Used to put the device to sleep mode, usually to a low power*		state.* @resume:	Used to bring the device from the sleep mode.* @ns_type:	Callbacks so sysfs can detemine namespaces.* @namespace:	Namespace of the device belongs to this class.* @pm:		The default device power management operations of this class.* @p:		The private data of the driver core, no one other than the*		driver core can touch this.** A class is a higher-level view of a device that abstracts out low-level* implementation details. Drivers may see a SCSI disk or an ATA disk, but,* at the class level, they are all simply disks. Classes allow user space* to work with devices based on what they do, rather than how they are* connected or how they work.*/
struct class {const char		*name;struct module		*owner;struct class_attribute		*class_attrs;const struct attribute_group	**dev_groups;struct kobject			*dev_kobj;int (*dev_uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);char *(*devnode)(struct device *dev, umode_t *mode);void (*class_release)(struct class *class);void (*dev_release)(struct device *dev);int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);int (*resume)(struct device *dev);const struct kobj_ns_type_operations *ns_type;const void *(*namespace)(struct device *dev);const struct dev_pm_ops *pm;struct subsys_private *p;
};

  内核同时提供了class_create宏。用于动态创建设备的逻辑类，并完成部分字段的初始化，然后将其添加进Linux内核系统中。此函数的执行效果就是在**/sys/class/**目录下创建一个新的文件夹，此文件夹的名字为此函数的第二个输入参数。

  class_create 一共有两个参数，参数 owner 一般为 THIS_MODULE，参数 name 是类名字。返回值是个指向结构体 class 的指针，也就是创建的类。

/* This is a #define to keep the compiler from merging different* instances of the __key variable */
#define class_create(owner, name)		\
({						\static struct lock_class_key __key;	\__class_create(owner, name, &__key);	\
})/*** class_create - create a struct class structure* @owner: pointer to the module that is to "own" this struct class* @name: pointer to a string for the name of this class.* @key: the lock_class_key for this class; used by mutex lock debugging** This is used to create a struct class pointer that can then be used* in calls to device_create().** Returns &struct class pointer on success, or ERR_PTR() on error.** Note, the pointer created here is to be destroyed when finished by* making a call to class_destroy().*/
struct class *__class_create(struct module *owner, const char *name,struct lock_class_key *key)
{struct class *cls;int retval;cls = kzalloc(sizeof(*cls), GFP_KERNEL);if (!cls) {retval = -ENOMEM;goto error;}cls->name = name;cls->owner = owner;cls->class_release = class_create_release;retval = __class_register(cls, key);if (retval)goto error;return cls;
error:kfree(cls);return ERR_PTR(retval);
}

  函数device_create用于动态创建逻辑设备，对新的逻辑设备进行相应初始化，然后将此逻辑设备加入到Linux内核系统的设备驱动程序模型中。

  device_create是个可变参数函数，参数 class 就是设备要创建在哪个类下面。参数 parent 是父设备，一般为 NULL，也就是没有父设备。参数 devt 是设备号。参数 drvdata 是设备可能会使用的一些数据，一般为 NULL。参数 fmt 是设备名字，如果设置 fmt=xxx 的话，就会生成/dev/xxx这个设备文件。返回值就是创建好的设备。

/*** device_create - creates a device and registers it with sysfs* @class: pointer to the struct class that this device should be registered to* @parent: pointer to the parent struct device of this new device, if any* @devt: the dev_t for the char device to be added* @drvdata: the data to be added to the device for callbacks* @fmt: string for the device's name** This function can be used by char device classes.  A struct device* will be created in sysfs, registered to the specified class.** A "dev" file will be created, showing the dev_t for the device, if* the dev_t is not 0,0.* If a pointer to a parent struct device is passed in, the newly created* struct device will be a child of that device in sysfs.* The pointer to the struct device will be returned from the call.* Any further sysfs files that might be required can be created using this* pointer.** Returns &struct device pointer on success, or ERR_PTR() on error.** Note: the struct class passed to this function must have previously* been created with a call to class_create().*/
struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent,dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...)
{va_list vargs;struct device *dev;va_start(vargs, fmt);dev = device_create_vargs(class, parent, devt, drvdata, fmt, vargs);va_end(vargs);return dev;
}

  该函数会自动地在/sys/devices/virtual目录下创建新的逻辑设备目录。并将其软连接到/sys/class/目录中对应的类下。同时还会在/dev目录下创建与逻辑类对应地设备文件。

root@ubuntu:# ll /sys/class/hellocls/
total 0
lrwxrwxrwx 1 root root 0 Sep 17 06:11 hellodev -> ../../devices/virtual/hellocls/hellodevroot@ubuntu:# ll /dev/hellodev 
crw------- 1 root root 237, 0 Sep 17 06:11 /dev/hellodev

代码实现

  示例代码实现也比较简单，完成设备的注册后。class_create创建一个hellocls的类，该函数最终会在/sys/class目录中创建一个名为hellocls的文件夹。device_create函数将设备驱动存放到hellocls类中，并创建对应的设备文件。

static int hello_init(void)
{int result;	printk("hello_init \n");result = register_chrdev( major, "hello", &hello_ops);if(result < 0){printk("register_chrdev fail \n");return result;}cls = class_create(THIS_MODULE, "hellocls");if (IS_ERR(cls)) {printk(KERN_ERR "class_create() failed for cls\n");result = PTR_ERR(cls);goto out_err_1;}devno = MKDEV(major, minor);	class_dev = device_create(cls, NULL, devno, NULL, "hellodev");if (IS_ERR(class_dev)) {result = PTR_ERR(class_dev);goto out_err_2;}return 0;
out_err_2:class_destroy(cls);
out_err_1:unregister_chrdev(major,"hello");return 	result;
}static void hello_exit(void)
{printk("hello_exit \n");device_destroy(cls, devno);class_destroy(cls);unregister_chrdev(major,"hello");return;
}

实验结果

  测试程序如下，打开/dev/hellodev字符设备。紧接着关闭掉。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
main()
{int fd;fd = open("/dev/hellodev",O_RDWR);if(fd<0){perror("open fail \n");return;}printf("open ok \n");close(fd);printf("close ok \n");
}

  加载模块，用户空间编译测试程序。运行测试程序对驱动进行打开和关闭的操作。日志可以看到驱动中的hello_open，hello_release都被正常调用。

root@ubuntu:# insmod ./hello.ko
root@ubuntu:# gcc ./test.c 
root@ubuntu:# ./a.out 
open ok 
close ok 
root@ubuntu:# dmesg
[170236.680298] hello_exit()
[170280.990839] hello_init 
[222202.880295] hello_open()
[222202.880418] hello_release()

  进入到系统的类目录，查看dev文件和uevent文件。其中记录的就是驱动模块中注册的设备号。

root@ubuntu:# cd /sys/class//hellocls/hellodev
root@ubuntu:# $ cat dev
237:0
root@ubuntu:# cat uevent 
MAJOR=237
MINOR=0
DEVNAME=hellodev
root@ubuntu:# ll /dev/hellodev 
crw------- 1 root root 237, 0 Sep 17 06:11 /dev/hellodev

  那么本篇博客就到此结束了，这里只是记录了一些我个人的学习笔记，其中存在大量我自己的理解。文中所述不一定是完全正确的，可能有的地方我自己也理解错了。如果有些错的地方，欢迎大家批评指正。如有问题直接在对应的博客评论区指出即可，不需要私聊我。我们交流的内容留下来也有助于其他人查看，说不一定也有其他人遇到了同样的问题呢😂。