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上一篇文章学习了如何编写linux驱动，通过能否正常加载模块进行验证是否成功，有做过liunx应用开发的小伙伴都知道驱动会在‘/dev’目录下以文件的形式展现出来，所以只是能加载驱动模块不能算是完成驱动的开发，而linux驱动分为三类，现在开始学习字符设备的注册。
一、准备材料
因为我主要是学习arm开发板的驱动编写，所以以后的测试中我都是以开发板测试为主，如果有想了解ubuntu下的测试或驱动编写的小伙伴，请阅读上一篇文章linux设备驱动编写入门
开发环境：VMware
操作系统：ubuntu
开发版：湃兔i2S-6UB
库文件：linux开发板或ubuntu的内核源码
二、注册字符设备
经过我的了解注册字符设备主要有两种方法，分为指定设备号注册和自动分配设备号注册两种方式。
1.通过指定字符设备号进行注册
通过指定设备号注册通常称为静态注册，主要注册函数有两个
a.linux2.4版本之前的注册方式是通过register_chrdev函数
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,const struct file_operations *fops); major：主设备号
name：字符设备名称
fops：file_operations结构体
使用这个函数注册是会有很大的缺点，因为linux的设备号分为主设备号和次设备号，而这个函数注册时会将主设备号的次设备号全部进行注册，所以2.4版本后引入了新的静态函数进行注册。
b.register_chrdev_region()函数
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name); from:注册的指定起始设备编号,比如:MKDEV(100, 0),表示起始主设备号100, 起始次设备号为0
count:需要连续注册的次设备编号个数
*name:字符设备名称
细心的小伙伴会发现注册的函数中缺少了file_operations结构体，没错2.4版本后确实有所改变，具体的注册方式见后续步骤。
c.设备号获取
因为静态注册是通过指定设备号进行注册的，那么设备号应该设备为多少才不会和设备已有的冲突了，为此我们可以通过一个命令查看设备已经在使用的主设备号，我们只需要选择一个没有使用的即可,命令如下
cat /proc/devices 2.通过自动分配设备号进行注册
采用动态的方式获取主设备号，就不需要通过指令查看后在指定具体的设备号，为编写程序提供了便捷，可以通过alloc_chrdev_region函数获取设备号
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name); *dev: 存放起始设备编号的指针,当注册成功, *dev就会等于分配到的起始设备编号,可以通过MAJOR()和MINNOR()函数来提取主次设备号
baseminor:次设备号基地址,也就是起始次设备号
count:需要连续注册的次设备编号个数
*name:字符设备名称
3.注销字符设备
因为linux的函数基本是成对存在饿，所以有注册函数便有注销函数，以下是注销函数
int unregister_chrdev(unsigned int major,const char *name) int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name) 从函数名既可以看出，unregister_chrdev注销函数对应注册函数是register_chrdev，而register_chrdev_region和alloc_chrdev_region注册函数都是通过register_chrdev_region函数来注销的。
4.cdev使用
通过以上介绍的三个字符设备的注册函数可知、register_chrdev_region和alloc_chrdev_region函数注册时缺少file_operations这个结构体的参数，而使用这两个函数进行注册时需要使用cdev_init和cdev_add函数添加file_operations结构体到系统中，卸载时通过cdev_del将file_operations从系统中卸载。
通过include/linux/cdev.h文件可知cdev结构体的成员,如下所示:
struct cdev { struct kobject kobj; // 内嵌的kobject对象 struct module *owner; //所属模块 const struct file_operations *ops; //操作方法结构体 struct list_head list; //与 cdev 对应的字符设备文件的 inode->i_devices 的链表头 dev_t dev; //起始设备编号,可以通过MAJOR(),MINOR()来提取主次设备号 unsigned int count; //连续注册次设备号的个数 }; 初始化cdev结构体,并将file_operations结构体放入cdev-> ops 中
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops) 添加cdev结构体到系统中
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count) 最后在卸载驱动之前别忘记将cdev结构体从系统中移除
void cdev_del(struct cdev *p) 到此注册字符设备的函数已经介绍完了
三、file_operations结构体
在介绍字符设备时会有一个file_operations结构体的参数，现在开始了接一下file_operations结构体，在include/linux/fs.h文件中我们可以看到结构体的定义，原型如下所示
struct file_operations { struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *); ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *); int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync); int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long); int (*check_flags)(int); int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int); ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int); int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **); long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset, loff_t len); void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f); #ifndef CONFIG_MMU unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *); #endif }; 通过file_operations结构体可知，字符设备的实现方法都有哪些，实现方式如下所示
static int test_open(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } static int test_release(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } static ssize_t test_read(struct file *filp, __user char *buf, size_t count, loff_t *ppos) { return 0; } static ssize_t test_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) { return 0; } /* *字符设备操作集合 */ static const struct file_operations test_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = test_open, .release = test_release, .read = test_read, .write = test_write, }; 现在字符设备注册已经完成了，结果上一节设备驱动的源码进行实现。
四、字符设备注册源码
1.使用register_chrdev方式注册的源码如下所示
hell_demo1.c文件
#include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/init.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/slab.h> #include <linux/uaccess.h> #include <linux/io.h> #include <linux/cdev.h> #define HELLO1_NAME "hello1" #define HELLO1_MAJOR 300 static char readbuf[100]; static char writebuf[100]; static char kerneldata[] = {"hello This is the kernel data"}; static int hello1_open(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } static int hello1_release(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } static ssize_t hello1_read(struct file *filp, __user char *buf, size_t count, loff_t *ppos) { int ret = 0; memcpy(readbuf, kerneldata, sizeof(kerneldata)); ret = copy_to_user(buf, readbuf, count); if(ret == 0) { } else { } return 0; } static ssize_t hello1_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) { int ret = 0; ret = copy_from_user(writebuf, buf, count); if(ret == 0) { printk("kernel recevdata:%srn", writebuf); } else { } return 0; } /* *字符设备操作集合 */ static const struct file_operations hello1_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = hello1_open, .release = hello1_release, .read = hello1_read, .write = hello1_write, }; static int __init hello1_init(void) { int ret = 0; printk("hello1_initrn"); /*注册字符设备*/ register_chrdev(HELLO1_MAJOR, HELLO1_NAME, &hello1_fops); if(ret < 0) { printk("hell01 init failed!rn"); } else { printk("hello1 init ok"); } return 0; } static void __exit hello1_exit(void) { printk("hello1_exitrn"); /*注销字符设备*/ unregister_chrdev(HELLO1_MAJOR, HELLO1_NAME); } /* * *模块入口与出口函数 * */ module_init(hello1_init); module_exit(hello1_exit); MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_AUTHOR("jiaozhu"); 2.使用register_chrdev_region和alloc_chrdev_region方式注册的源码如下所示
hell_demo2.c文件
#include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/init.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/slab.h> #include <linux/uaccess.h> #include <linux/io.h> #include <linux/cdev.h> #define HELLO2_NAME "hello2" #define HELLO2_COUNT 1 /*设备结构体*/ struct hello2_dev{ struct cdev cdev; /*字符设备*/ dev_t devid; /*设备号*/ int major; /*主设备号*/ int minor; /*次设备号*/ }; struct hello2_dev hello2; static char readbuf[100]; static char writebuf[100]; static char kerneldata[] = {"hello This is the kernel data"}; static int hello2_open(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } static int hello2_release(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } static ssize_t hello2_read(struct file *filp, __user char *buf, size_t count, loff_t *ppos) { int ret = 0; memcpy(readbuf, kerneldata, sizeof(kerneldata)); ret = copy_to_user(buf, readbuf, count); if(ret == 0) { } else { } return 0; } static ssize_t hello2_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) { int ret = 0; ret = copy_from_user(writebuf, buf, count); if(ret == 0) { printk("kernel recevdata:%srn", writebuf); } else { } return 0; } /* *字符设备操作集合 */ static const struct file_operations hello2_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = hello2_open, .release = hello2_release, .read = hello2_read, .write = hello2_write, }; static int __init hello2_init(void) { int ret = 0; printk("hello2_initrn"); /*设置设备号*/ if(hello2.major){ hello2.devid = MKDEV(hello2.major, 0); ret = register_chrdev_region(hello2.devid, HELLO2_COUNT, HELLO2_NAME); } else { ret = alloc_chrdev_region(&hello2.devid, 0, HELLO2_COUNT, HELLO2_NAME); hello2.major = MAJOR(hello2.devid); hello2.minor = MINOR(hello2.devid); } if(ret < 0) { printk("hello2 chrdev_region err!rn"); return -1; } printk("hello2 major = %d, minor = %drn",hello2.major, hello2.minor); /*注册字符设备*/ hello2.cdev.owner = hello2_fops.owner; cdev_init(&hello2.cdev, &hello2_fops); ret = cdev_add(&hello2.cdev, hello2.devid, HELLO2_COUNT); return 0; } static void __exit hello2_exit(void) { printk("hello2_exitrn"); /*删除字符设备*/ cdev_del(&hello2.cdev); /*注销字符设备*/ unregister_chrdev_region(hello2.devid, HELLO2_COUNT); } /* * *模块入口与出口函数 * */ module_init(hello2_init); module_exit(hello2_exit); MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_AUTHOR("jiaozhu"); 3.不论使用哪种方式Makefile文件的内容基本一样，只需要更改一下‘obj-m’对应的驱动文件即可，hell_demo2项目的工程如下所示
Makefile文件
KERNELDIR := /home/xfg/linux/imx_6ull/i2x_6ub/system_file/i2SOM-iMX-Linux CURRENT_PATH := $(shell pwd) obj-m := hello_demo2.o build: kernel_modules kernel_modules: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules clean: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean 为了方便测试，在内核中使用了copy_to_user和copy_from_user函数，因为内核态和用户态之间的空间不能直接访问，所以需要使用这两个函数进行数据的拷贝。
内核空间-->用户空间
unsigned long copy_to_user(void *to, const void *from, unsigned long n) to:目标地址（用户空间）
from:源地址（内核空间）
n:将要拷贝数据的字节数
用户空间-->内核空间
返回：成功返回0，失败返回没有拷贝成功的数据字节数
unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long n) to:目标地址（内核空间）
from:源地址（用户空间）
n:将要拷贝数据的字节数
返回：成功返回0，失败返回没有拷贝成功的数据字节数
五、测试
将编译好的.ko文件拷贝到arm开发版的/lib/modules/4.1.43+目录下
make sudo cp hello_demo2.ko /home/rootfs/lib/modules/4.1.43+ -f 启动开发板加载驱动模块
lsmod modprobe hello_demo2 lsmod 加载结果如下图所示：
成功加载驱动后，使用cat /proc/devices命令查看设备号并创建设备属性节点
cat /proc/devices mknod /dev/hello2 c 248 0 创建设备属性节点后会在/dev目录下存在hello2的文件，如下图所示
到此我们的驱动已经编写完成，在下一篇文章中将会编写一个程序对驱动进行验证，有需要的小伙伴下一篇文章见。
六、参考文献
使用register_chrdev_region()系列来注册字符设备：https://www.cnblogs.com/lifexy/p/7827559.html
linux驱动开发--copy_to_user 、copy_from_user函数实现内核空间数据与用户空间数据的相互访问https://blog.csdn.net/xiaodingqq/article/details/80150347
