imx6ull-驱动开发篇1——字符设备驱动简介

目录

前言

字符设备驱动

驱动程序调用

/dev/led举例

用户/内核空间

系统调用（System Call）​​

​​陷入（Trap）​​

file_operations 结构体

前言

Linux 中的主要有三大类驱动：字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动。

本讲实验我们就先来了解一下最基本的一类设备驱动：字符设备驱动。

字符设备驱动

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。

驱动程序调用

Linux 应用程序对驱动程序的调用如图：

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”的文件进行相应的操作，即可实现对硬件的操作。

/dev/led举例

比如现在有个叫做/dev/led 的驱动文件，此文件是 led 灯的驱动文件。

先来看一下一个简单的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

#define LED_DEVICE "/dev/led"  // LED 设备节点路径

int main(int argc, char **argv) {
    int fd;                    // 设备文件描述符
    char cmd;                  // 控制命令（0=关灯，1=开灯）
    char led_state;            // LED 当前状态

    // 1. 打开 LED 设备
    fd = open(LED_DEVICE, O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("Failed to open " LED_DEVICE);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 控制 LED（命令行参数指定）
    if (argc == 2) {
        cmd = atoi(argv[1]);  // 将参数转换为数字
        if (write(fd, &cmd, 1) != 1) {
            perror("Failed to control LED");
            close(fd);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        printf("LED turned %s\n", cmd ? "ON" : "OFF");
    }

    // 3. 读取 LED 当前状态
    if (read(fd, &led_state, 1) != 1) {
        perror("Failed to read LED state");
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Current LED state: %s\n", led_state ? "ON" : "OFF");

    // 4. 关闭设备
    close(fd);
    return EXIT_SUCCESS;
}

• 应用程序使用 open 函数来打开文件/dev/led，
• 使用完成以后使用 close 函数关闭/dev/led 这个文件。
•  open 是打开led 驱动的函数
• close 就是关闭 led 驱动的函数，
• 要点亮或关闭 led，使用 write 函数来向此驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是要打开 led 的控制参数。
• 如果要获取led 灯的状态，就用 read 函数从驱动中读取相应的状态。

用户/内核空间

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。

• ​​用户空间​​：

  • 运行非特权代码，无法直接访问硬件或内核内存。

  • 进程间通过虚拟内存隔离，一个进程崩溃不影响其他进程。

• ​​内核空间​​：

  • 运行特权代码，可直接控制CPU、内存和外设。

  • 内核代码共享同一地址空间，一个驱动错误可能导致整个系统崩溃。

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。

系统调用（System Call）​​

• ​​定义​​：用户空间程序请求内核服务的唯一合法接口。

• ​​作用​​：突破用户空间限制，安全地访问硬件或内核功能（如文件操作、进程控制）。

• ​​示例​​：open()、read()、write()、ioctl()等。

​​陷入（Trap）​​

• ​​定义​​：CPU从用户态（User Mode）主动切换到内核态（Kernel Mode）的机制。

• ​​触发方式​​：

  • 软中断（如 int 0x80，x86架构）

  • 专用指令（如 syscall/sysenter，现代CPU）

• ​​本质​​：一种受控的“异常”，不会导致进程终止。

从 open("/dev/led")看完整流程：

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。

file_operations 结构体

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。

file_operations 结构体内容如下所示：

/**
 * 文件操作结构体 - 定义驱动提供的文件操作接口
 * 驱动通过实现这些回调函数响应应用程序的系统调用（如open/read/write）
 */
struct file_operations {
    struct module *owner;  // 指向拥有该结构的模块（THIS_MODULE）
    
    /* 文件定位操作 */
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);  // 修改文件读写位置（如lseek）
    
    /* 同步读写接口 */
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);      // 同步读（如read系统调用）
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); // 同步写（如write系统调用）
    
    /* 异步读写接口（高性能场景） */
    ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);  // 异步读（支持向量IO）
    ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *); // 异步写
    
    /* 目录遍历（仅文件系统使用） */
    int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);     // 遍历目录项（如getdents）
    
    /* 轮询/事件通知 */
    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); // 检查文件是否可读/写（select/poll/epoll）
    
    /* 设备控制接口 */
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); // 无锁ioctl（主接口）
    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); // 兼容32位应用的ioctl
    
    /* 内存映射 */
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);     // 将设备内存映射到用户空间（mmap系统调用）
    int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);    // 内存重映射（罕见）
    
    /* 文件生命周期管理 */
    int (*open) (struct inode *, struct file *);               // 打开设备（open系统调用）
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);                // 关闭前刷新（flush系统调用）
    int (*release) (struct inode *, struct file *);            // 释放文件引用（close系统调用）
    
    /* 同步与异步刷盘 */
    int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync); // 同步文件数据到存储（fsync）
    int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);           // 异步fsync
    
    /* 信号驱动IO */
    int (*fasync) (int, struct file *, int);                   // 设置异步通知（如SIGIO）
    
    /* 文件锁 */
    int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);       // 文件锁定（flock）
    int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);     // 另一种锁实现
    
    /* 零拷贝传输 */
    ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); // 发送页面数据（如sendfile）
    ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int); // 管道数据写入设备
    ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);   // 设备数据读入管道
    
    /* 内存管理扩展 */
    unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long); // 获取未映射地址空间
    
    /* 标志检查 */
    int (*check_flags)(int);                                   // 检查open标志合法性
    
    /* 文件租约 */
    int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **); // 设置文件租约（F_SETLEASE）
    
    /* 预分配空间 */
    long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset, loff_t len); // 预分配磁盘空间（fallocate）
    
    /* 调试信息输出 */
    void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);   // 显示文件描述符信息（/proc/pid/fdinfo）
    
#ifndef CONFIG_MMU
    /* 无MMU系统的特殊处理 */
    unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);               // 获取mmap能力标志
#endif
};

在字符设备驱动开发中最常用的就是上面这些函数。

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，具体需要实现哪些函数要看具体的驱动要求。

下一讲内容我们来讲解一下：字符设备驱动开发步骤