上一篇我们介绍了字符设备架构的大概原理、常用的数据结构和函数。接下来，我们撰写一个简单的驱动程序和用户程序，使用户程序可以通过open、release、read、write等常用的文件操作函数，来完成对驱动程序的打开、关闭、读写等控制。
编写代码前，我们再梳理一下思路。想要实现上述效果，我们的工作主要分为三大部分：
编写驱动程序，并加载到内核中，等待被用户程序调用。
在console控制台下使用mknod命令创建一个设备节点。
编写用户程序，通过调用设备节点间接控制驱动程序。
这三部分每一部分实现的具体步骤如下，下面这张图只涉及到了模块注册时的操作和初始化操作，其他操作没有反映出来。
下面我们来逐步实现一过程。
一、注册设备号
首先使用cat /proc/device我们找到一个未被占用的主设备号，这里我们使用233作为新注册设备的主设备号。
注册设备号的操作在驱动程序中，通过调用register_chrdev_region函数完成。因此我们创建一个驱动程序cdev_driver.c，写入下面的代码。
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zz");
static int major = 233; //主设备号
static int minor = 0; //一系列次设备号中的第一个次设备号
static dev_t devno; //设备号
static int demo_init(void)
{
int rc;
devno = MKDEV(major, minor); //根据主设备号和次设备号合成设备号
rc = register_chrdev_region(devno, 1, "test"); //向系统中注册设备号
if(rc < 0) {
pr_err("register_chrdev_region failed!");
return rc;
}
return 0;
}
static void demo_exit(void)
{
unregister_chrdev_region(devno, 1); //向系统中注销设备号
return;
}
module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);
编写Makefile。
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m := cdev_driver.o
else
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)
all:
make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
rm -rf *.ko *.o *.mod.o *.symvers *.cmd *.mod.c *.order *.dwo *.mod.dwo *.mod
endif
编译该文件，并在系统中加载该驱动模块，可以看到系统中233的设备号被分配给名为“test”的设备。
二、实现file_operations结构体
这一步同样在驱动程序cdev_driver.c中，我们需要首先新建一个file_operations结构体fops，并实现其中的open、release、read、write函数。
#define KMAX_LEN 32
static int demo_open(struct inode *ind, struct file *fp)
{
printk("demo open\n");
return 0;
}
static int demo_release(struct inode *ind, struct file *fp)
{
printk("demo release\n");
return 0;
}
static ssize_t demo_read(struct file *fp, char __user *buf, size_t size, loff_t *pos)
{
int rc;
char kbuf[KMAX_LEN] = "read test\n";
if (size > KMAX_LEN)
size = KMAX_LEN;
rc = copy_to_user(buf, kbuf, size); //将字符串kbuf拷贝到用户空间下的buf中
if(rc < 0) {
return -EFAULT;
pr_err("copy_to_user failed!");
}
return size;
}
static ssize_t demo_write(struct file *fp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *pos)
{
int rc;
char kbuf[KMAX_LEN];
if (size > KMAX_LEN)
size = KMAX_LEN;
rc = copy_from_user(kbuf, buf, size); //将用户空间下的buf中的内容拷贝到内核空间中
if(rc < 0) {
return -EFAULT;
pr_err("copy_from_user failed!");
}
printk("%s", kbuf);
return size;
}
static struct file_operations fops = {
.open = demo_open,
.release = demo_release,
.read = demo_read,
.write = demo_write,
};
file_operations结构体中的成员都是函数指针，我们的工作就是编写四个函数demo_open、demo_release、demo_read、demo_write，并将它们分别赋值给.open、.release、.read、.write四个函数指针。其中demo_open和demo_release两个函数比较简单，打印两句话即可，demo_read和demo_write分别实现读写操作。demo_read用于将内核中定义的字符串“read test”读出到buf中，并返回实际读出的字符串长度size；demo_write用于向内核中写入一个长度为size的字符串buf。size不能超过限定的最大长度KMAX_LEN。
由于读出和写入操作是跨越用户空间和内核空间的，所以需要使用copy_to_user和copy_from_user两个函数。前者用来从内核空间拷贝到用户空间，后者反之。
三、注册字符设备结构体
在写好file_operations结构体后，就可以调用cdev_init和cdev_add函数，对字符设备结构体进行初始化并加入系统了。在模块卸载时，需要调用cdev_del移除字符设备结构体。最终得到的完整的驱动程序的代码如下。
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zz");
static int major = 233;
static int minor = 0;
static dev_t devno;
#define KMAX_LEN 32
static int demo_open(struct inode *ind, struct file *fp)
{
printk("demo open\n");
return 0;
}
static int demo_release(struct inode *ind, struct file *fp)
{
printk("demo release\n");
return 0;
}
static ssize_t demo_read(struct file *fp, char __user *buf, size_t size, loff_t *pos)
{
int rc;
char kbuf[KMAX_LEN] = "read test\n";
if (size > KMAX_LEN)
size = KMAX_LEN;
rc = copy_to_user(buf, kbuf, size);
if(rc < 0) {
return -EFAULT;
pr_err("copy_to_user failed!");
}
return size;
}
static ssize_t demo_write(struct file *fp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *pos)
{
int rc;
char kbuf[KMAX_LEN];
if (size > KMAX_LEN)
size = KMAX_LEN;
rc = copy_from_user(kbuf, buf, size);
if(rc < 0) {
return -EFAULT;
pr_err("copy_from_user failed!");
}
printk("%s", kbuf);
return size;
}
static struct file_operations fops = {
.open = demo_open,
.release = demo_release,
.read = demo_read,
.write = demo_write,
};
static struct cdev cd;
static int demo_init(void)
{
int rc;
devno = MKDEV(major, minor);
rc = register_chrdev_region(devno, 1, "test");
if(rc < 0) {
pr_err("register_chrdev_region failed!");
return rc;
}
cdev_init(&cd, &fops); //初始化字符设备结构体
rc = cdev_add(&cd, devno, 1); //将字符设备结构体加入系统中
if (rc < 0) {
pr_err("cdev_add failed!");
return rc;
}
return 0;
}
static void demo_exit(void)
{
cdev_del(&cd); //从系统中删除字符设备结构体
unregister_chrdev_region(devno, 1);
return;
}
module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);
四、应用程序编写
驱动程序完全编写完毕，下面编写应用程序。在应用程序中，我们要完成下面的操作：使用open函数打开字符设备，使用read函数从字符设备中读出字符串“read test”，使用write函数向字符设备中写入字符串“write test”，使用close释放字符设备。我们将设备节点的名称命名为test_chr_dev。代码如下。
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
int rc;
char buf[32];
int fd = open("/dev/test_chr_dev", O_RDWR);
if (fd < 0) {
printf("open file failed!\n");
return -1;
}
read(fd, buf, 32);
printf("%s", buf);
write(fd, "write test\n", 32);
close(fd);
return 0;
}
使用gcc对代码进行编译。
gcc app.c -o app
五、程序运行
进入root模式，首先使用mknod指令向系统中创建设备节点。
查看dev目录可以看到新增加的设备节点。
然后加载驱动模块，再运行应用程序。可以看到读功能正常。
dmesg打印一下内核信息，可以看到设备打开、写功能、释放正常。
