字符设备驱动详细步骤(字符设备驱动实验报告)

1. 什么是字符设备驱动？

在 Linux 系统中，每一种硬件都需要一个软件模块与之对应，用于操作这个硬件。这个软件模块就是设备驱动程序。字符设备驱动程序则是用于操作字符设备的驱动程序。字符设备是一种按字符流的方式传输数据的设备，如键盘、鼠标、串口等。字符设备驱动程序的主要任务是从应用程序读取数据并将数据发送到设备，或从设备读取数据并将数据发送到应用程序。通常情况下，字符设备驱动程序是静态编译在内核中的。

2. 字符设备驱动编写步骤

编写字符设备驱动程序需要经过以下步骤：

1. 确定设备号：在 Linux 中，设备号是用于唯一标识一个设备的数字。设备号是由主设备号（major number）和次设备号（minor number）组成的。主设备号用于标识设备类型，如 tty、console、lp 等。次设备号则用于标识同一类型设备的不同实例，如 tty0、tty1 等。设备号实际上是一个 32 位的整数，由高 12 位是主设备号，低 20 位是次设备号组成。可以使用宏 MKDEV() 将主设备号和次设备号合并成一个合法的设备号。
2. 实现文件操作函数：字符设备驱动程序中最重要的就是实现文件操作函数，如 read()、write()、open()、release() 等。这些函数将会被内核调用，对设备进行读写操作。读写函数中需要使用函数 copy_to_user() 和 copy_from_user() 将数据从内核空间拷贝到用户空间，或从用户空间拷贝到内核空间。
3. 注册字符设备驱动程序：字符设备驱动程序编写完毕后，需要注册到内核中。注册设备驱动程序时需要指定主设备号和次设备号，同时指定文件操作函数。常用的函数包括 register_chrdev() 和 cdev_add()。

3. 实例：编写一个简单的字符设备驱动程序

下面是一个简单的字符设备驱动程序，实现了对设备的读写操作：

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/uaccess.h>

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

#define DEVICE_NAME "sample_device"
#define MAJOR_NUM 100

static int device_open(struct inode* inode, struct file* file)
{
    printk(KERN_INFO "device opened\n");
    return 0;
}

static int device_release(struct inode* inode, struct file* file)
{
    printk(KERN_INFO "device closed\n");
    return 0;
}

static ssize_t device_read(struct file* file, char* buffer, size_t length, loff_t* offset)
{
    printk(KERN_INFO "reading from device\n");

    if (length > 0) {
        put_user('X', buffer);
        return 1;
    } else {
        return 0;
    }
}

static ssize_t device_write(struct file* file, const char* buffer, size_t length, loff_t* offset)
{
    printk(KERN_INFO "writing to device\n");

    if (length > 0) {
        printk(KERN_INFO "received %d bytes\n", length);
        printk(KERN_INFO "received message: %s\n", buffer);
        return length;
    } else {
        return 0;
    }
}

static struct file_operations fops = {
    .open = device_open,
    .release = device_release,
    .read = device_read,
    .write = device_write
};

static int __init init_module(void)
{
    int result;

    printk(KERN_INFO "initializing sample device\n");

    result = register_chrdev(MAJOR_NUM, DEVICE_NAME, &fops);
    if (result < 0) {
        printk(KERN_INFO "failed to register device\n");
        return result;
    }

    printk(KERN_INFO "sample device initialized: %s (%d)\n", DEVICE_NAME, MAJOR_NUM);

    return 0;
}

static void __exit cleanup_module(void)
{
    unregister_chrdev(MAJOR_NUM, DEVICE_NAME);
    printk(KERN_INFO "sample device unregistered\n");
}

module_init(init_module);
module_exit(cleanup_module);

上述程序中，定义了设备名为 sample_device，主设备号为 100。在设备打开和关闭时会分别打印 "device opened" 和 "device closed"。读操作会将一个字符 'X' 写入到用户空间缓冲区，写操作会打印写入的数据。

编译完成后将该驱动程序导入到内核中，设备节点将会出现在 /dev 目录下，可以使用命令行操作该设备：

$ sudo insmod sample_device.ko
$ sudo chmod 666 /dev/sample_device
$ cat /dev/sample_device
X
$ echo "hello" > /dev/sample_device
$ dmesg | tail

以上命令中，insmod 命令将驱动程序导入到内核中，chmod 命令设置设备节点权限。cat 命令读取设备数据，echo 命令向设备写入数据。使用 dmesg 命令可以查看内核日志。