前期知識
前言
在上一篇文章中，我們學習了驅動的基本框架。這一章，我們會在上一章程式碼的基礎上，繼續對驅動的框架進行完善。要下載上一篇文章的全部程式碼，請點選這裡。
1.字元裝置的四個基本操作
驅動讓使用者程式具備操作硬體裝置的能力，那麼對硬體裝置有哪些操作呢？在學習程式語言時，我們都學過對檔案的操作，包括開啟檔案、關閉檔案、讀檔案、寫檔案這四個基本操作。對於Linux來說，一切裝置皆檔案，所以對裝置的基本操作也可以分為開啟、關閉、讀、寫這四個。而對於裝置（已字元裝置為例），Linux提供了一個操作集合——file_operarions。file_operations是一個結構體，其原型如下。
1 struct file_operations { 2 struct module *owner; 3 loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); 4 ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); 5 ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); 6 ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *); 7 ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *); 8 int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *); 9 int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *); 10 unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); 11 long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); 12 long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); 13 int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); 14 int (*open) (struct inode *, struct file *); 15 int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id); 16 int (*release) (struct inode *, struct file *); 17 int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync); 18 int (*fasync) (int, struct file *, int); 19 int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); 20 ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); 21 unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long); 22 int (*check_flags)(int); 23 int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *); 24 ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int); 25 ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int); 26 int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **); 27 long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset, 28 loff_t len); 29 void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f); 30 #ifndef CONFIG_MMU 31 unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *); 32 #endif 33 ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, 34 loff_t, size_t, unsigned int); 35 int (*clone_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t, 36 u64); 37 ssize_t (*dedupe_file_range)(struct file *, u64, u64, struct file *, 38 u64); 39 }
要使用該結構體，需要包含標頭檔案"linux/fs.h"。該結構體中的成員變數很多，但在本章中，我們只用到開啟(open)、關閉(release)、讀(read)、寫(write)這四個成員變數，以及一個預設需要的所有者(owner)成員變數。
1 struct file_operations { 2 ... 3 struct module *owner; 4 int (*open) (struct inode *, struct file *); 5 int (*release) (struct inode *, struct file *); 6 ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); 7 ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); 8 ... 9 }
file_operations結構體的成員變數嚮應用程式提供一個對裝置操作的介面，但是介面的具體操作需要我們自己來實現。開啟上一章所寫的驅動原始碼"shanwuyan.c"，定義一個"file_operations"型別的結構體，再定義四個函式"shanwuyan_open"、"shanwuyan_release"、"shanwuyan_read"、"shanwuyan_write"，讓file_operations結構體變數的成員變數初始化為這四個函式。
1 /*開啟裝置*/ 2 static int shanwuyan_open(struct inode *inode, struct file *filp) 3 { 4 return 0; 5 } 6 7 /*釋放（關閉）裝置*/ 8 static int shanwuyan_release(struct inode *inode, struct file *filp) 9 { 10 return 0; 11 } 12 13 /*讀裝置*/ 14 static ssize_t shanwuyan_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) 15 { 16 return 0; 17 } 18 19 /*寫裝置*/ 20 static ssize_t shanwuyan_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) 21 { 22 return 0; 23 } 24 25 static struct file_operations shanwuyan_fops = 26 { 27 .owner = THIS_MODULE, //預設 28 .open = shanwuyan_open, //開啟裝置 29 .release = shanwuyan_release, //關閉裝置 30 .read = shanwuyan_read, //讀裝置 31 .write = shanwuyan_write, //寫裝置 32 };
這樣，使用者在使用庫函式"open"開啟裝置時，就會呼叫函式"shanwuyan_open"；用"close"函式關閉裝置時，就會呼叫函式"shanwuyan_release"；用"read"函式讀裝置時，就會呼叫函式"shanwuyan_read"；用"write"函式寫裝置時，就會呼叫函式"shanwuyan_write"。為了讓這四個函式的呼叫更直觀地為程式設計師所觀察，我們可以在這四個函式中新增列印語句，這樣每次對裝置進行操作的時候，程式設計師都能在終端觀察到相應的資訊，如下方程式碼。
1 /*開啟裝置*/ 2 static int shanwuyan_open(struct inode *inode, struct file *filp) 3 { 4 printk(KERN_EMERG "shanwuyan_open\r\n"); 5 return 0; 6 } 7 8 /*釋放（關閉）裝置*/ 9 static int shanwuyan_release(struct inode *inode, struct file *filp) 10 { 11 printk(KERN_EMERG "shanwuyan_close\r\n"); 12 return 0; 13 } 14 15 /*讀裝置*/ 16 static ssize_t shanwuyan_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) 17 { 18 printk(KERN_EMERG "shanwuyan_read\r\n"); 19 return 0; 20 } 21 22 /*寫裝置*/ 23 static ssize_t shanwuyan_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) 24 { 25 printk(KERN_EMERG "shanwuyan_write\r\n"); 26 return 0; 27 }
2.註冊與登出字元裝置
字元裝置的註冊是在入口函式"shanwuyan_init"中完成的，字元裝置的登出是在出口函式"shanwuyan_exit"中完成的。在上一篇文章中，這兩個函式的作用只是列印一行字串，並沒有註冊和登出字元裝置的功能。在本章，我們將完善這兩個函式。
首先介紹一個函式"register_chrdev"，函式原型如下。
static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops); //major是主裝置號，name是裝置名，fops是字元裝置操作集的地址
該函式的作用是註冊字元裝置，裝置號為程式設計師給定的一個主裝置號major，裝置名為使用者給定的一個字串，字元操作集為上文中定義的結構體地址。如果函式該函式返回值為負數，說明裝置註冊失敗，否則說明裝置註冊成功。
接下來介紹登出字元裝置的函式"unregister_chrdev"，該函式的原型如下。
static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name); //major是主裝置號，name是裝置名
該函式的作用是登出字元裝置。
開啟開發板的系統終端，輸入命令"cat /proc/devices"可以檢視有哪些裝置號已經被佔用。經過檢視，本系統的裝置號"200"處於空閒狀態，可以用來註冊字元裝置。
完善入口函式和出口函式，程式碼如下。
1 ... 2 #define SHANWUYAN_MAJOR 200 //程式設計師給定的主裝置號 3 #define SHANWUYAN_NAME "shanwuyan" //程式設計師給定的裝置名字串 4 ... 5 static struct file_operations shanwuyan_fops = 6 { 7 ... 8 } //定義的字元裝置操作集 9 static int __init shanwuyan_init(void) //驅動入口函式 10 { 11 int ret = 0; 12 13 ret = register_chrdev(SHANWUYAN_MAJOR, SHANWUYAN_NAME, &shanwuyan_fops); 14 if(ret < 0) 15 printk(KERN_EMERG "init failed\r\n"); //註冊失敗 16 else 17 printk(KERN_EMERG "shanwuyan_init\r\n");//註冊成功 18 return 0; 19 } 20 static void __exit shanwuyan_exit(void) //驅動出口函式 21 { 22 unregister_chrdev(SHANWUYAN_MAJOR, SHANWUYAN_NAME); //登出字元裝置 23 printk(KERN_EMERG "shanwuyan_exit\r\n"); 24 } 25 ...
這樣，一個字元裝置驅動的雛形就完成了。
3.編寫應用程式
編寫一個應用程式，包含對裝置的開啟、關閉、讀和寫的操作。原始碼如下
1 //檔名為"shanwuyan_APP.c" 2 #include <sys/types.h> 3 #include <sys/stat.h> 4 #include <fcntl.h> 5 #include <stdio.h> 6 #include <unistd.h> 7 #include <stdlib.h> 8 #include <string.h> 9 10 /* 11 *argc:應用程式引數個數，包括應用程式本身 12 *argv[]:具體的引數內容，字串形式 13 *./shanwuyan_APP <filename> <r:w> r表示讀，w表示寫 14 */ 15 int main(int argc, char *argv[]) 16 { 17 int ret = 0; 18 int fd = 0; 19 char *filename; 20 21 if(argc != 3) //共有三個引數 22 { 23 printf("Error usage!\r\n"); 24 return -1; 25 } 26 27 filename = argv[1]; //獲取檔名稱 28 29 fd = open(filename, O_RDWR); 30 if(fd < 0) 31 { 32 printf("cannot open file %s\r\n", filename); 33 return -1; 34 } 35 36 if(!strcmp(argv[2], "r")) //讀裝置 37 { 38 39 read(fd, NULL, 0); //只是使用讀函式，但不讀出資料 40 } 41 else if(!strcmp(argv[2], "w")) //寫裝置 42 { 43 write(fd, NULL, 0); //只是使用寫函式，但並不向裝置寫資料 44 45 } 46 else 47 { 48 printf("ERROR usage!\r\n"); 49 } 50 51 /*關閉裝置*/ 52 close(fd); 53 54 return 0; 55 }
4.應用
編譯驅動檔案，交叉編譯應用程式，拷貝到開發板中，並載入驅動。
驅動載入完成後，使用命令"mknod /dev/shanwuyan c 200 0"，在"/dev"目錄下建立"shanwuyan"裝置節點。其中引數"c"是指建立一個字元裝置節點，200表示主裝置號，0表示次裝置號。然後使用ls命令檢視是否建立成功。
分別輸入命令"./shanwuyan_APP /dev/shanwuyan r"和命令"./shanwuyan_APP /dev/shanwuyan w"，可以看到終端列印瞭如下資訊。可以看到，應用程式開啟裝置、關閉裝置、讀裝置、寫裝置的操作都有所體現。
在本章中，我們只是單純得呼叫了read和write函式，但是並沒有真正的讀寫資料。讀寫資料操作將在下一章中出現。
本章的全部程式碼在這裡。