imx6ull-驱动开发篇3——字符设备驱动开发实验-EW帮帮网

{
    "configurations": [
        {
            "name": "Linux",
            "includePath": [
                "${workspaceFolder}/**",
                "/home/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga/include",
                "/home/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga/arch/arm/include",
                "/home/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga/arch/arm/include/generated/"
            ],
            "defines": [],
            "compilerPath": "/usr/bin/gcc",
            "cStandard": "c11",
            "cppStandard": "c++17",
            "intelliSenseMode": "clang-x64"
        }
    ],
    "version": 4
}

分别添加了开发板所使用的 Linux 源码下的：

include、
arch/arm/include
arch/arm/include/generated

这三个目录的路径，注意，这里使用了绝对路径。

编写实验程序

我们之前新建了文件 chrdevbase.c，打开，输入如下内容：

#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 */

/* 缓冲区定义 */
static char readbuf[100];        /* 读缓冲区 */
static char writebuf[100];       /* 写缓冲区 */
static char kerneldata[] = {"kernel data!"};

/**
 * @brief 打开设备
 * @param inode 传递给驱动的inode
 * @param filp 设备文件指针（可通过private_data传递设备结构体）
 * @return 0 成功，其他失败
 */
static int chrdevbase_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

/**
 * @brief 从设备读取数据
 * @param filp 设备文件指针
 * @param buf 用户空间缓冲区
 * @param cnt 请求读取的字节数
 * @param offt 文件偏移指针
 * @return 实际读取的字节数（负值表示错误）
 */
static ssize_t chrdevbase_read(struct file *filp, char __user *buf,
                             size_t cnt, loff_t *offt)
{
    int retvalue = 0;

    /* 内核数据准备 */
    memcpy(readbuf, kerneldata, sizeof(kerneldata));
    
    /* 拷贝数据到用户空间 */
    retvalue = copy_to_user(buf, readbuf, cnt);
    if (retvalue == 0) {
        printk("kernel senddata ok!\n");
    } else {
        printk("kernel senddata failed!\n");
    }
    return 0;
}

/**
 * @brief 向设备写入数据
 * @param filp 设备文件指针
 * @param buf 用户空间数据缓冲区
 * @param cnt 请求写入的字节数
 * @param offt 文件偏移指针
 * @return 实际写入的字节数（负值表示错误）
 */
static ssize_t chrdevbase_write(struct file *filp, const char __user *buf,
                              size_t cnt, loff_t *offt)
{
    int retvalue = 0;

    /* 从用户空间拷贝数据 */
    retvalue = copy_from_user(writebuf, buf, cnt);
    if (retvalue == 0) {
        printk("kernel recevdata:%s\n", writebuf);
    } else {
        printk("kernel recevdata failed!\n");
    }
    return 0;
}

/**
 * @brief 关闭设备
 * @param inode inode结构体指针
 * @param filp 设备文件指针
 * @return 0 成功，其他失败
 */
static int chrdevbase_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    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,
};

/**
 * @brief 驱动初始化入口
 * @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\n");
    }
    printk("chrdevbase init\n");
    return 0;
}

/**
 * @brief 驱动退出函数
 */
static void __exit chrdevbase_exit(void)
{
    /* 注销字符设备驱动 */
    unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME);
    printk("chrdevbase exit\n");
}

/* 指定驱动入口/出口函数 */
module_init(chrdevbase_init);
module_exit(chrdevbase_exit);

/* 模块信息 */
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("huax");

printk函数

在这段代码里，用printk 来输出信息，而不是 printf。

因为在 Linux 内核中没有 printf 这个函数。printf运行在用户态， printk 运行在内核态。

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 */

一共定义了 8 个级别，其中 0 的优先级最高， 7 的优先级最低。

举例：

printk(KERN_EMERG "gsmi: Log Shutdown Reason\n");

printk还可以通过消息级别来决定哪些消息可以显示在控制台上。在 include/linux/printk.h 中有个宏 CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT，定义如下：

#define CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT 7

CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT 控制着哪些级别的消息可以显示在控制台上，此宏默认为 7，意味着只有优先级高于 7 的消息才能显示在控制台上。

设备操作函数

chrdevbase_open

作用：设备打开时调用
关键参数：filp->private_data（可指向设备结构体，存储设备属性）
示例用途：初始化硬件或分配资源

chrdevbase_read

作用：从设备读取数据到用户空间
关键操作：内核数据准备（memcpy），通过 copy_to_user安全拷贝到用户空间
返回值：成功返回0，失败返回负数

chrdevbase_write

作用：将用户空间数据写入设备
关键操作：通过 copy_from_user安全拷贝到内核缓冲区
调试输出：打印接收到的数据内容

chrdevbase_release

作用：关闭设备时释放资源
典型操作：若 private_data指向动态内存，需在此释放

设备注册与注销

chrdevbase_init

功能：驱动入口，注册字符设备
关键调用：register_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, ...)
错误处理：检查返回值并打印日志

chrdevbase_exit

功能：驱动出口，注销字符设备
关键调用：unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, ...)

关键数据结构

file_operations结构体

成员：.open、.read、.write、.release
作用：绑定用户操作与驱动函数

编写测试 APP

C 库文件操作基本函数

编写测试 APP 就是编写 Linux 应用，需要用到 C 库里面和文件操作有关的一些函数，比如open、 read、 write 和 close 这四个函数。

open函数

函数原型如下：

int open(const char *pathname, int flags);

open函数有两个参数：

参数	作用	典型值
`pathname`	设备/文件路径（如 `/dev/chrdevbase`）	字符串路径
`flags`	打开模式（必选+可选组合）	见下方模式说明

flags： 文件打开模式，下表中的值必须三选一

模式	说明	示例场景
`O_RDONLY`	只读	读取传感器数据
`O_WRONLY`	只写	控制LED灯
`O_RDWR`	读写（最常用）	双向通信设备

flags:常用可选模式（按位或 |组合）

模式	作用	示例
`O_APPEND`	每次写入追加到文件末尾	日志文件
`O_CREAT`	文件不存在时创建（需指定权限）	`O_RDWR
`O_TRUNC`	打开时清空文件内容（慎用）	临时配置文件
`O_NONBLOCK`	非阻塞模式（立即返回，不等待设备就绪）	串口设备
`O_SYNC`	写入后等待物理I/O完成（数据安全性高）	关键数据存储

open函数返回值

成功：返回 文件描述符（正整数，后续操作凭据）
失败：返回 -1，并通过 errno标识错误原因（如 ENOENT文件不存在）

举例：

int fd = open("/dev/chrdevbase", O_RDWR | O_NONBLOCK);
if (fd < 0) {
    perror("Open failed");
    exit(1);
}

read函数

函数原型如下：

ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count)

read函数有三个参数：

参数	作用	注意事项
`fd`	文件描述符（由 `open`返回）	必须有效且已打开
`buf`	数据存储缓冲区（用户空间内存）	需确保内存足够且可写
`count`	请求读取的最大字节数	实际读取可能小于此值

read函数的返回值有下面三种情况：

返回值	含义	典型场景
正整数	实际读取的字节数	成功读取部分或全部数据
`0`	文件末尾（EOF）	无更多数据可读（如管道关闭）
负值	错误（通过 `errno`获取具体原因）	设备故障/信号中断/权限不足

举例：

char buffer[100];
int ret = read(fd, buffer, sizeof(buffer));
if (ret < 0) {
    perror("Read failed");
} else {
    printf("Read %d bytes: %.*s\n", ret, ret, buffer);
}

write函数

函数原型如下：

ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);

write函数的参数如下：

参数	作用	注意事项
`fd`	文件描述符（由 `open`返回）	必须有效且已打开（有写权限）
`buf`	待写入的数据缓冲区（用户空间）	数据需合法且缓冲区可读
`count`	请求写入的字节数	实际写入可能小于此值

返回值和read一样，也有3种情况：

返回值	含义	典型场景
正整数	实际写入的字节数	成功写入部分或全部数据
`0`	未写入数据（特殊场景）	如写入空缓冲区或非阻塞设备满
负值	错误（通过 `errno`获取具体原因）	设备故障/空间不足/权限问题

举例：

char data[] = "Hello, Driver!";
int ret = write(fd, data, sizeof(data));
if (ret < 0) {
    perror("Write failed");
} else {
    printf("Wrote %d bytes\n", ret);
}

close函数

函数原型如下：

int close(int fd);

参数	作用	注意事项
`fd`	待关闭的文件描述符	必须是由 `open`或类似函数返回的有效描述符

返回值： 0 表示关闭成功，负值表示关闭失败。

举例：

int fd = open("/dev/chrdevbase", O_RDWR);
// ... 读写操作 ...
if (close(fd) == -1) {
    perror("Close failed");
}

编写测试 APP 程序

接下来编写一个简单的测试 APP，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。

在1_chrdevbase 目录中新建 chrdevbaseApp.c 文件，在此文件中输入如下内容：

#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;
}

数组 usrdata 是测试 APP 要向 chrdevbase 设备写入的数据。

argv[]是 main函数的参数数组，用于接收从命令行传入的参数。

argv[0]:程序自身的名称（可执行文件的路径或名称）。
argv[1]:要打开的驱动文件或设备文件的路径。
argv[2]:操作类型标志，决定是读取(1)还是写入(2)驱动文件。

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

当 argv[2]为 1 的时候，表示要从 chrdevbase 设备中读取数据，一共读取 50 字节的数据，读取到的数据保存在 readbuf 中，读取成功以后就在终端上打印出读取到的数据。

当 argv[2]为 2 的时候，表示要向 chrdevbase 设备写数据。

编译驱动程序和测试 APP

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/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga

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

KERNELDIR 表示自己开发板所使用的 Linux 内核源码目录，使用绝对路径。
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。
obj-m 表示将 chrdevbase.c 这个文件编译为 chrdevbase.ko 模块。

其中具体的编译命令：

$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules

-C $(KERNELDIR)，-C选项告诉 make切换工作目录到 $(KERNELDIR)（即内核源码目录）
M=$(CURRENT_PATH)，M=是内核构建系统的特殊参数，指定外部模块的源代码目录（即当前模块所在的路径）。
modules，这是内核构建系统的目标（target），表示编译外部模块。最终会生成 .ko（内核模块）文件。

Makefile 编写好以后输入“make”命令编译驱动模块，编译成功以后就会生成一个叫做 chrdevbaes.ko 的文件，此文件就是 chrdevbase 设备的驱动模块。

编译测试 APP

只有一个文件，直接用gcc编译：

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

编译完成以后会生成一个叫做 chrdevbaseApp 的可执行程序。

查看chrdevbaseAPP 这个程序的文件信息，可以输入：

file chrdevbaseApp

运行测试

加载驱动模块

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。

启动 Linux 系统，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。4.1.15是因为ALPHA 开发板现在用的是 4.1.15 版本的 Linux 内核。

将 chrdevbase.ko 和 chrdevbaseAPP 复制到根文件系统rootfs/lib/modules/4.1.15 目录中，命令如下：

sudo cp chrdevbase.ko chrdevbaseApp /home/huax/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/ -f

拷贝完成以后就会在开发板的 /lib/modules/4.1.15 目录下存在 chrdevbase.ko 和chrdevbaseAPP 这两个文件，如图:

加载 chrdevbase.ko 驱动文件，可以用以下两个命令：

insmod chrdevbase.ko

modprobe chrdevbase.ko

如果使用 modprobe 加载驱动，提示无法打开“modules.dep”这个文件：

直接输入 depmod 命令，会自动生成 modules.alias、modules.symbols 和 modules.dep 这三个文件，如图：

然后再使用modprobe 加载 chrdevbase.ko，结果如图：：

输入“lsmod”命令即可查看当前系统中存在的模块，结果如图：

存在chrdevbase”这一个模块，再查看当前系统中有没有 chrdevbase 这个设备：

cat /proc/devices

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

/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：

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。

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：

./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 1

结果如图：

然后测试对 chrdevbase 设备的写操作，输入如下命令：

./chrdevbaseApp /dev/chrdevbase 2

结果如图：

对 chrdevbase 的读写操作正常，说明我们编写的 chrdevbase 驱动是没有问题的。

卸载驱动模块

输入如下命令卸载掉 chrdevbase 这个设备：

rmmod chrdevbase.ko

卸载以后，可以使用 lsmod 命令查看 chrdevbase 这个模块还存不存在。

本讲实验就结束了，以一个虚拟的 chrdevbase 设备为例，完成了第一个字符设备驱动的开发，掌握了字符设备驱动的开发框架以及测试方法。

imx6ull-驱动开发篇3——字符设备驱动开发实验

前言

实验程序编写

创建 VSCode 工程

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编写实验程序

printk函数

设备操作函数

chrdevbase_open

chrdevbase_read

chrdevbase_write

chrdevbase_release

设备注册与注销

chrdevbase_init

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关键数据结构

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编写测试 APP 程序

编译驱动程序和测试 APP

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