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1、实验目的：掌握简单字符设备驱动设计规范模式，设备节点创建方法，应用程序的设计和编写方法。
2、实验要求：
（A.）在S3C2440（以tq2440和mini2440为平台验证的）平台上编写实现了读，写，定位的字符设备驱动程序
（B.）编写应用程序，对所写的驱动程序进行测试
3、实验步骤：
（A.）创建实验目录,用mkdir命令来创建
#mkdir /opt/FrinedlyARM/studydriver/5-1-1
#cd /opt/FrinedlyARM/stduydriver/5-1-1
4、在实验目录写编写实现了读，写，定位的字符设备驱动程序memdev.c
（温馨提示：本实验并没有真正的去操控硬件设备，而是使用内存来模拟字符设备）
5、编写Makefile
ifeq ($(KERNELRELEASE),)
KERNELDIR ?=/opt/FriendlyARM/linux-2.6.32.2（按照你的linux-2.6.32.2内核实际的目录来改正）
PWD := $(shell pwd)
modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
modules_install:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules_install
clean:
rm -rf *.o *~ core .depend .*.cmd *.ko *.markers *.mod.c *.mod.o *.symvers .tmp_versions
.PHONY: modules modules_install clean
else
obj-m := memdev.o
endif
编译内核模块并拷贝内核模块到根文件系统（说明：memdev.ko为编译生成的内核模块）
实验源码mem_dev.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include "memdev.h"
static mem_major = MEMDEV_MAJOR;
module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
struct cdev cdev;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct mem_dev *dev;
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);
if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
return -ENODEV;
dev = &mem_devp[num];
/*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = dev;
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*判断读位置是否有效*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
/*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))
{
ret = - EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}
return ret;
}
/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
ret = - EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}
return ret;
}
/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
loff_t newpos;
switch(whence) {
case 0: /* SEEK_SET */
newpos = offset;
break;
case 1: /* SEEK_CUR */
newpos = filp->f_pos + offset;
break;
case 2: /* SEEK_END */
newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;
break;
default: /* can't happen */
return -EINVAL;
}
if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))
return -EINVAL;
filp->f_pos = newpos;
return newpos;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
int result;
int i;
dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);
/* 静态申请设备号*/
if (mem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
else /* 动态分配设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
mem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0)
return result;
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev.ops = &mem_fops;
/* 注册字符设备 */
cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
/* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
if (!mem_devp) /*申请失败*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
/*为设备分配内存*/
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
}
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, 1);
return result;
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_AUTHOR("KPBoy huang");
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
代码相关理论知识说明：
《1》确定主设备号和次设备号
（1）主设备号：是内核识别一个设备属于哪一个驱动的标识。是一个整数，范围为0-（4096-1），但是一般使用1~255。
次设备号：是驱动程序自己用来区别多个设备的。是一个整数，范围为0~（1048576-1）,但是一般使用1~255。
预定义的设备号可以参考内核源码Documentation/devices.txt
（2）设备编号的内部表示。
内核用32bit表示设备号：
typedef unsigned long dev_t;
‚其中高12bit为主设备号，低20bit为次设备号。
要想获得一个dev_t类型的变量中包含的主或者次设备号，使用内核定义的宏：MAJOR（dev_t dev) ；和MINOR（dev_t dev）；
ƒ分配主设备号、次设备号的方法和内核API
int register_chrdev_region（dev_t first,unsigned int count ,char * name）;
静态申请设备号：请求操作系统分配驱动程序要求的特定设备号。first 为要求分配的第一个设备号（包含主、次设备号），count为请求的设备号数量，name为驱动名称（出现在/proc/devices中），失败返回负数，成功则向操作系统将first到first+conut-1，总共count个设备号分配给驱动。例如：
如果int result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev")成功，则分配到第一个设备号为devno，2为请求的设备号数量，memdev为驱动的名称，失败就返回负数。
动态申请设备号： result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");devno用于存放结果,其最终存放的是分配到的2个设备号中的第一个设备号，firstminor即0为期望分配到的第一个次设备号，name即为memdev为驱动的名称（出现在/proc/devices中），失败将返回负数，成功则操作系统将分配的第一个设备号存放到dev中，并将分配出去的设备号是从devno到devno + count - 1，共count个（在本例也就是2个），申请的时机应该在驱动程序的初始化函数中（本例的memdev_init(void)函数中）。
m释放主设备号、次设备号的方法和内核API
释放的时机应该在驱动程序的销毁函数中。
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
《2》确定设备文件名程并创建设备文件作为用户程序和驱动的接口界面
①设备文件名称是一个合法的文件名称即可。一般是“设备名称”，或者是“设备名称 + 数字” （本例中是mem_dev）
②设备类型主要有c（字符设备类型），b（块设备类型）
③创建设备文件 mknod /dev/memdev0 c 251 0(使用命令mknod 来创建设备文件)
《3》将字符设备注册进操作系统
①字符设备的注册时机是在驱动程序的初始化函数中，注销的时机是在驱动程序的销毁函数中：
/* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
（相当于应用程序中的malloc）
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
②字符设备是如何在操作系统中被注册和注销的？（参看LDD3 3.1和3.6节）
详细解析参阅《深入浅出嵌入式底层软件开发》P428-429的8.2.2实现字符设备驱动的工作
Mem_dev.h实验源码
#ifndef _MEMDEV_H_
#define _MEMDEV_H_
#ifndef MEMDEV_MAJOR
#define MEMDEV_MAJOR 251 /*预设的mem的主设备号*/
#endif
#ifndef MEMDEV_NR_DEVS
#define MEMDEV_NR_DEVS 2 /*设备数*/
#endif
#ifndef MEMDEV_SIZE
#define MEMDEV_SIZE 4096
#endif
/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev
{
char *data;
unsigned long size;
};
#endif /* _MEMDEV_H_ */
6、通过NFS方式起根文件系统
7、加载内核模块
#insmod memdev.ko
#lsmod
说明：在加载内核模块时，模块初始化函数memdev_init被调用，函数完成了设备号申请，字符设备注册等操作。
8、查看设备名字和设备号
#cat /proc/devices
9、手工创建设备节点
#mknod /dev/memdev0 c 251 0（用命令mknod创建设备文件）
（A）、/dev/memdev0 ==》 设备文件名字为“memdev0”，当然这里的名字是可以修改的
（B）、c ==》 设备类型，c：为字符设备，b，块设备
（C）、251 ==》 主设备号
（D）、0 ==》 次设备号
（E）[root@FriendlyARM 2.6.32.2-FriendlyARM]# ls -l /dev/memdev0
crw-r--r-- 1 root root 251, 0 Feb 8 15:23 /dev/memdev0
11、编写应用程序
用于测试驱动的应用程序app-mem.c
#include <stdio.h>
int main()
{
FILE *fp0 = NULL;
char Buf[4096];
/*初始化Buf*/
strcpy(Buf,"Mem is char dev!");
printf("BUF: %s\n",Buf);
/*打开设备文件*/
fp0 = fopen("/dev/memdev0","r+");
if (fp0 == NULL)
{
printf("Open Memdev0 Error!\n");
return -1;
}
/*写入设备*/
fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);
/*重新定位文件位置（思考没有该指令，会有何后果)*/
fseek(fp0,0,SEEK_SET);
/*清除Buf*/
strcpy(Buf,"Buf is NULL!");
printf("BUF: %s\n",Buf);
/*读出设备*/
fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0);
/*检测结果*/
printf("BUF: %s\n",Buf);
return 0;
}
实验解析：
当应用程序调用open打开一个设备时，操作系统做了什么？
由于操作系统内部已经建立了“设备号—cdev— mem_fops” 三者之间的关联关系，所以当用户程序调用 fp0 = fopen("/dev/memdev0","r+")打开设备文件的时候。操作系统就可以根据设备文件名得到设备号，再根据设备号找到cedv，进而找到fops，从而为该设备在内核空间中建立3张表：文件描述符（file descriptor table）,文件表（file table）,i节点表（i-node table）,关于3张表的关系和作用，请参看LDD3的3.3节
i节点表中含有：
①、i_rdev:字段代表实际的设备号（open调用中设备文件对应的设备号）
②、i_cdev:字段指向字符设备cdev.
文件表中含有：
①f_op :字段指向fops.
②f_ops:字段表示设备当前读写位置。
③f_flags:字段标识文件打开是可读或可写？
④private_data:字段指向私有数据指针，驱动程序可以将这个成员用于任何目的或者忽视这个成员。
《4》当应用程序调用fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0)读出设备时，操作系统做了什么？
总结：所以我们写驱动程序很大一部分工作就是要实现这些直接操作设备硬件的函数。
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strcpy（拷贝字符串） |
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相关函数 |
bcopy，memcpy，memccpy，memmove |
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表头文件 |
#include<string.h> |
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定义函数 |
char *strcpy(char *dest,const char *src); |
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函数说明 |
strcpy（）会将参数src字符串拷贝至参数dest所指的地址。 |
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返回值 |
返回参数dest的字符串起始地址。 |
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附加说明 |
如果参数dest所指的内存空间不够大，可能会造成缓冲溢出（buffer Overflow）的错误情况，在编写程序时请特别留意，或者用strncpy（）来取代。 |
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范例 |
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#include<string.h> main() { char a[30]=”string(1)”; char b[]=”string(2)”; printf(“before strcpy() :%s\n”,a); printf(“after strcpy() :%s\n”,strcpy(a,b)); } |
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执行 |
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before strcpy() :string(1) after strcpy() :string(2) |
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fwrite函数
#include <stdio.h>
size_t fwrite( const void * ptr ,size_t size ,size_t nitems,FILE *stream);
fwrite库函数用于往一个文件流里面写入数据,数据从文件流stream写到ptr指向的数据缓冲区里，fread和fwrite都是对数据记录进行操作，size参数指定每个数据记录的长度，计数器nitems给出要传输的记录个数。它的返回值是成功读到数据缓冲区的记录个数（而不是字节数）。当到达文件尾时，他的返回值可能会小于nitems，甚至可以是零。
在本例中的fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0)函数就是将fp0数据流里面的数据写入到Buf缓冲区里面，sizeof（Buf）用来指定每个数据记录的长度，“1”是计数器给出要传输的记录个数
fseek函数
#include<stdio.h>
int fseek (FILE * stream , long int offset ,int whence );
fseek函数是与lseek系统调用对应的文件流函数。它在文件流里面为下一次读写操作指定位置。offset和whence参数的定义和取值和lseek系统调用完全一样。fseek成功调用返回一个整数：0代表成功，-1代表失败并设置errno指出的错误。
SEEK_SET:offset是一个绝对位置
SEEK_CUR:offset是相对于当前位置的一个相对位置。
SEEK_END：offset是相对于文件尾的一个相对位置。
12、交叉编译应用程序并拷贝到根文件系统
#arm-linux-gcc -static app-mem.c -o app-mem
注意：由于我们制作的是静态链接的根文件系统，故要添加编译选项“-static”
13、运行测试程序
#./app-mem
(说明：应用程序首先打开设备节点，设备方法mem_open被调用；然后写入数据到设备中，设备方法mem_write被调用；最后从设备中读出数据以验证读出的数据是否与写入的数据相同，设备方法mem_read被调用。)
14、卸载内核模块
#rmmod memdev
#lsmod
（说明：内核模块被卸载时，模块卸载函数memdev_exit被调用，一般来说模块卸载函数主要完成于模块加载函数相反的工作。本实验模块卸载函数完成设备注销，释放内存，释放设备号等操作。）
15、实验总结：
本实验使用内存模拟字符设备，实验其读写，定位操作。实验本身并不难，重点是要我们掌握字符设备驱动设计规范，掌握设备方法（read,write,release.llseek）调用实机，实现方式。