linux字符设备驱动

1.字符设备驱动相关系统函数简介

1.1 container_of

/**
 * container_of 通过一个结构体成员的指针，获取包含该成员的结构体的起始地址
 * @ptr:        变量的指针
 * @type:       指针指向的结构体类型
 * @member:     结构体中的变量类型
 */
#define container_of(ptr, type, member) ({              \
    void *__mptr = (void *)(ptr);                   \
    BUILD_BUG_ON_MSG(!__same_type(*(ptr), ((type *)0)->member) &&   \
                     !__same_type(*(ptr), void),            \
                     "pointer type mismatch in container_of"); \
    ((type *)(__mptr - offsetof(type, member))); })

为了简化理解，可以将 container_of 函数理解为如下表示

#define container_of(ptr, type, member) \
    ((type *)((char *)(ptr) - offsetof(type, member)))

该函数根据结构体成员变量的指针，通过该变量相对于结构体的偏移，得到了该变量对应的结构体的指针。

这是一个非常灵活的用法，通过保存某个结构体变量的指针，可以通过该指针反向推出该结构体的指针。在后续案例中有详细解释。

1.2 register_chrdev_region

register_chrdev_region 是 Linux 内核中用于注册字符设备编号范围的函数。该函数为驱动程序预留一段连续的设备号（主设备号 + 起始次设备号），后续将字符设备（通过 cdev_add ）绑定到这些设备号上，函数原型如下

/**
 * first：dev_t 类型，指定要注册的起始设备号。使用 MKDEV(major, minor) 宏生成
 * count：需要注册的连续设备号数量（次设备号的范围）
 * name：设备的名称，该名称会出现在 /proc/devices 文件中，用于标识该组设备号属于哪个驱动。
 * 返回值: 成功返回0
 *        参数无效返回     -EINVAL
 *        设备号被占用返回 -EBUSY
*/
int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, const char *name);

1.3 cdev_init

struct cdev 是内核表示字符设备的对象，每个字符设备驱动都需要创建 cdev 实例，并将其注册到内核

cdev_init 负责设置 cdev 的基本字段，为后续的 cdev_add做准备

/*
 * dev：指向要初始化的 struct cdev 结构体的指针。
 *       该结构体可以由驱动静态分配 (kmalloc) ，也可以动态分配 (cdev_alloc)
 * fops：指向 struct file_operations 结构体的指针
 *       该结构体包含了设备支持的各种操作函数（如 open、read、write、ioctl 等）
*/
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
{
    memset(cdev, 0, sizeof *cdev);
    INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);
    kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);
    cdev->ops = fops;
}

1.4 cdev_add

该函数建立了设备号与字符设备驱动的关联，使 VFS（虚拟文件系统）能够通过设备号找到对应的驱动程序，从而响应用户空间的打开、读写等操作

将 struct cdev 对象与设备号绑定，在内核的字符设备映射表中建立关联
将 cdev 对象加入内核的全局字符设备链表或哈希表，使 VFS 能够根据设备号找到对应的cdev
激活设备：调用 cdev_add 后，该设备便可以被用户空间访问（需要使用mknod关联到/dev/mydevname）

/*
 * p：指向 cdev_init() 已经初始化的 struct cdev 对象的指针。
 * dev：分配给该设备的起始设备号，应该与 register_chrdev_region() 向内核申请的设备号位置一致
 * count：与该设备关联的次设备号数量
 * 返回值：成功 0
          参数无效    -EINVAL
          设备号被占用 -EBUSY （理论上在分配设备号时已经检查过，但这里仍可能发生，如动态添加时竞争）
          内存不足    -ENOMEM
*/
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);

2. 使用字符设备驱动实现共享内存

下面是使用字符设备驱动实现共享内存的案例，用来快速熟悉驱动函数的使用方法，代码参考书籍为Linux设备驱动详解

#include <linux/init.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/ioctl.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/slab.h>

#define GLOBALMEM_SIZE    1024
#define GLOBALMEM_MAGIC    'M'
#define MEM_CLEAR        _IO(GLOBALMEM_MAGIC, 0)

struct globalmem_dev 
{
    // 字符设备
    struct cdev m_cdev;
    // 共享内存
    unsigned char mem[GLOBALMEM_SIZE];
};


static int globalmem_major = 266;

// 存放两个字符设备私有数据
struct globalmem_dev* globalmem_devp;


/* user open fd */
static int globalmem_open(struct inode* inode, struct file* filp) {
    
    struct globalmem_dev* dev;
    /* 下面是一种常用的区分次设备号的方法
     * 通过 globalmem_init 初始化时传入不同的 cdev 指针实现区分 */
    // inode 中保存的 i_cdev 指针是 globalmem_init 函数中传入的，globalmem_dev 结构体变量 m_cdev 的指针
    // 所以通过 inode->i_cdev 指针，即 m_cdev 成员变量的指针，可以找到其对应的结构体指针
    dev = container_of(inode->i_cdev, struct globalmem_dev, m_cdev);

    // 将设备结构体指针传给文件私有数据指针，提供给其他函数调用时使用
    filp->private_data = dev;
    return 0;
}


/* user release fd*/
static int globalmem_release(struct inode* inode, struct file* filp) {
    return 0;
}



/* user read fd */
static ssize_t globalmem_read(struct file* filp, char __user* buf, size_t count, loff_t* ppos) {
    unsigned long p = *ppos;
    // 获得设备结构体的指针（这是通过open函数传入的指针，实现不同次设备使用不同的共享内存）
    struct globalmem_dev* dev = filp->private_data;    


    if(p >= GLOBALMEM_SIZE)
        return 0;
    if(count > GLOBALMEM_SIZE - p)
        count = GLOBALMEM_SIZE - p;
    
    copy_to_user(buf, (void*)(dev->mem + p), count);
    *ppos = p + count;

    return count;
}


/* user write fd */ 
static ssize_t globalmem_write(struct file* filp, const char __user* buf, size_t count, loff_t* ppos) {
    unsigned long p = *ppos;

    // 获得设备结构体的指针
    struct globalmem_dev* dev = filp->private_data;    

    if(p >= GLOBALMEM_SIZE)
        return 0;
    if(count > GLOBALMEM_SIZE - p)
        count = GLOBALMEM_SIZE - p;

    copy_from_user(dev->mem + p, buf, count);
    *ppos = p + count;
    return count;
}


/* user lseek fd */
static loff_t globalmem_llseek(struct file* filp, loff_t offset, int orig) {
    loff_t ret;
    switch(orig) {
    // 从起始位置开始移动指针
    case 0:
        if(offset < 0) {
            ret = -EINVAL;
            break;
        }
        if((unsigned int)offset > GLOBALMEM_SIZE) {
            ret = -EINVAL;
            break;
        }
        filp->f_pos = (unsigned int)offset;
        ret = filp->f_pos;
        break;
    // 从当前位置开始移动指针
    case 1:
        if((filp->f_pos + offset) > GLOBALMEM_SIZE) {
            ret = -EINVAL;
            break;
        }
        if((filp->f_pos + offset) < 0) {
            ret = -EINVAL;
            break;
        }
        filp->f_pos += offset;
        ret = filp->f_pos;
        break;
    default:
        ret = -EINVAL;
    }
    return ret;
}


/* user ioctl fd */
static int globalmem_ioctl(struct inode* inodep, struct file* filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
    // 获取设备结构体指针    
    struct globalmem_dev* dev = filp->private_data;    
    
    switch(cmd) {
    case MEM_CLEAR:
        memset(dev->mem, 0, GLOBALMEM_SIZE);
        break;
    default:
        return -EINVAL;
    }
    return 0;
}



static const struct file_operations globalmem_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = globalmem_open,
    .release = globalmem_release,
    .llseek = globalmem_llseek,
    .read = globalmem_read,
    .write = globalmem_write,
    .unlocked_ioctl = globalmem_ioctl
};


/* 设备驱动模块insmod加载函数 */
static int globalmem_init(void) {
    // 向 Linux 内核中注册字符设备编号范围
    register_chrdev_region(MKDEV(globalmem_major, 0), 2, "globalmem");

    // 为2个次设备以及共享内存分配内存
    globalmem_devp = kmalloc(2 * sizeof(struct globalmem_dev), GFP_KERNEL);
    memset(globalmem_devp, 0, 2 * sizeof(struct globalmem_dev));
    
    // 初始化字符设备0的基本字段
    cdev_init(&(globalmem_devp[0].m_cdev), &globalmem_fops);
    globalmem_devp[0].m_cdev.owner = THIS_MODULE;
    // 将主设备号globalmem_major次设备号0，与字符设备驱动的关联
    cdev_add(&(globalmem_devp[0].m_cdev), MKDEV(globalmem_major, 0), 1);

    // 初始化字符设备1的基本字段
    cdev_init(&(globalmem_devp[1].m_cdev), &globalmem_fops);
    globalmem_devp[1].m_cdev.owner = THIS_MODULE;
    // 将主设备号globalmem_major次设备号1，与字符设备驱动的关联
    cdev_add(&(globalmem_devp[1].m_cdev), MKDEV(globalmem_major, 1), 1);
    return 0;
}


static int globalmem_exit(void) {
    // 注销cdev
    cdev_del(&(globalmem_devp[0].m_cdev));
    cdev_del(&(globalmem_devp[1].m_cdev));
    // 释放设备结构体内存
    kfree(globalmem_devp);    
    // 释放设备号
    dev_t devno = MKDEV(globalmem_major, 0);
    unregister_chrdev_region(devno, 2);
}


MODULE_AUTHOR("cear");
MODULE_LICENSE("GPL");

module_param(globalmem_major, int, S_IRUGO);
module_init(globalmem_init);
module_exit(globalmem_exit);

posted @ 2026-02-14 17:57 cear 阅读(40) 评论(0) 收藏举报

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