字符设备驱动开发基础—从驱动中进行读写操作

往期回顾：

字符设备驱动开发基础---静态/动态注册设备号，使用cdev注册驱动-CSDN博客

字符设备驱动基础---sys文件系统，udev介绍，驱动模块在内核空间注册设备-CSDN博客

本文主要介绍的是 如何通过驱动进行设备的读写操作

文章目录

• • 内核空间与用户空间进行数据交互
  • 驱动示例代码
  • • 关键解析
  • 用户程序示例代码
  • 实现效果

内核空间与用户空间进行数据交互

内核空间：操作系统内核运行的空间，拥有最高的权限，可以直接访问硬件资源和管理系统资源。

用户空间：用户应用程序运行的空间，权限受限，无法直接访问硬件资源，必须通过系统调用与内核交互。

交互方式：

• 系统调用（System Call）：用户空间的应用程序通过系统调用请求内核执行某些操作，比如文件操作、进程管理、内存分配等。系统调用是用户空间进入内核空间的主要途径。
  • 例子：open(), read(), write(), fork()

系统调用

• 定义：系统调用是用户程序与操作系统内核进行交互的接口，通过系统调用，用户程序可以请求内核执行特定的服务。
• 过程：
  1. 用户程序发起系统调用请求。
  2. 处理器从用户模式切换到内核模式。
  3. 内核执行相应的服务程序。
  4. 内核模式切换回用户模式，返回结果给用户程序。

调用框架图：

注：本文只是探讨数据交互过程，没有涉及到操作寄存器，控制硬件，只是涉及到用户空间与内核空间的数据交互

驱动示例代码

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/device.h>

#define DEVICE_NAME "my_char_device"

#define BUF_LEN 80
static char message[BUF_LEN];
static short message_len;


static int major_number;
static struct class *my_class = NULL;
static struct device *my_device = NULL;
static struct cdev mydev; // 声明 cdev 结构体

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 __user *user_buffer, size_t len, loff_t *offset) {
    int bytes_to_copy = message_len - *offset;
    if (bytes_to_copy < 0) bytes_to_copy = 0;
    if (bytes_to_copy > len) bytes_to_copy = len;
    if (bytes_to_copy == 0) return 0;

    if (copy_to_user(user_buffer, message + *offset, bytes_to_copy) != 0) {
        return -EFAULT;
    }

    *offset += bytes_to_copy;
    printk(KERN_INFO "Sent %d characters to the user\n", bytes_to_copy);
    return bytes_to_copy;
}

static ssize_t device_write(struct file *file, const char __user *user_buffer, size_t len, loff_t *offset) {
    int bytes_to_copy = len;
    if (bytes_to_copy > BUF_LEN - 1) bytes_to_copy = BUF_LEN - 1;

    if (copy_from_user(message, user_buffer, bytes_to_copy) != 0) {
        return -EFAULT;
    }

    message[bytes_to_copy] = '\0';
    message_len = bytes_to_copy;
    printk(KERN_INFO "Received %d characters from the user\n", bytes_to_copy);
    return bytes_to_copy;
}

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


static int __init test_init(void)
{
    int retval;
    dev_t dev;

    printk(KERN_INFO "module init success\n");

    // 1. 动态分配主次设备号
    retval = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, DEVICE_NAME);
    if (retval < 0)
    {
        printk(KERN_ERR "Failed to allocate major number\n");
        goto fail_alloc_chrdev_region;
    }

    major_number = MAJOR(dev);
    printk(KERN_INFO "major number is: %d, minor number is: %d\n", major_number, MINOR(dev));

    // 2. 初始化 cdev 结构体并添加到内核
    cdev_init(&mydev, &fops);
    retval = cdev_add(&mydev, dev, 1);
    if (retval < 0)
    {
        printk(KERN_ERR "Failed to add cdev\n");
        goto fail_cdev_add;
    }

    // 3. 创建设备类
    my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_class");
    if (IS_ERR(my_class))
    {
        printk(KERN_ERR "Failed to create class\n");
        retval = PTR_ERR(my_class);
        goto fail_class_create;
    }

    // 4.  申请设备，内核空间就会通知用户空间的udev 进行创建设备，驱动程序本身自己是创建不了文件的！
    my_device = device_create(my_class, NULL, dev, NULL, DEVICE_NAME);
    if (IS_ERR(my_device))
    {
        printk(KERN_ERR "Failed to create device\n");
        retval = PTR_ERR(my_device);
        goto fail_device_create;
    }

    printk(KERN_INFO "my_char_device: module loaded\n");
    return 0;

fail_device_create:
    class_destroy(my_class);
fail_class_create:
    cdev_del(&mydev);
fail_cdev_add:
    unregister_chrdev_region(dev, 1);
fail_alloc_chrdev_region:
    return retval;
}

static void __exit test_exit(void)
{
    dev_t dev = MKDEV(major_number, 0);
    if (my_device)
        device_destroy(my_class, dev);
    if (my_class)
        class_destroy(my_class);
    cdev_del(&mydev);
    unregister_chrdev_region(dev, 1);
    printk(KERN_INFO "my_char_device: module unloaded\n");
}

module_init(test_init);
module_exit(test_exit);
MODULE_AUTHOR("Marxist");
MODULE_LICENSE("GPL");

关键解析

Linux理念：一切皆为文件，因此设备也是一种文件，也可以直接进行读写操作。

device_open 和 device_release：设备打开和关闭时的处理函数。

device_read：从设备读取数据并复制到用户空间。

device_write：从用户空间写入数据到设备。

文件操作函数实现

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 __user *user_buffer, size_t len, loff_t *offset) {
    int bytes_to_copy = message_len - *offset;
    if (bytes_to_copy < 0) bytes_to_copy = 0;
    if (bytes_to_copy > len) bytes_to_copy = len;
    if (bytes_to_copy == 0) return 0;

    if (copy_to_user(user_buffer, message + *offset, bytes_to_copy) != 0) {
        return -EFAULT;
    }

    *offset += bytes_to_copy;
    printk(KERN_INFO "Sent %d characters to the user\n", bytes_to_copy);
    return bytes_to_copy;
}

static ssize_t device_write(struct file *file, const char __user *user_buffer, size_t len, loff_t *offset) {
    int bytes_to_copy = len;
    if (bytes_to_copy > BUF_LEN - 1) bytes_to_copy = BUF_LEN - 1;

    if (copy_from_user(message, user_buffer, bytes_to_copy) != 0) {
        return -EFAULT;
    }

    message[bytes_to_copy] = '\0';
    message_len = bytes_to_copy;
    printk(KERN_INFO "Received %d characters from the user\n", bytes_to_copy);
    return bytes_to_copy;
}

文件操作结构体

定义文件操作结构体，将文件操作函数指针绑定到对应的操作函数。

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

本文重点使用的函数：copy_to_user 和 copy_from_user

copy_to_user 用于将数据从内核空间复制到用户空间。函数原型如下：

int copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n);

• to：目标用户空间地址。
• from：源内核空间地址。
• n：要复制的字节数。

如果复制成功，返回 0；如果失败，返回未能复制的字节数。

copy_from_user 用于将数据从用户空间复制到内核空间。函数原型如下：

int copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n);

• to：目标内核空间地址。
• from：源用户空间地址。
• n：要复制的字节数。

如果复制成功，返回 0；如果失败，返回未能复制的字节数。

用户程序示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    int fd;
    char buf[80] = {0};
    
    // 检查参数数量
    if (argc < 2) {
        fprintf(stderr, "Usage: %s <r|w> [data_to_write]\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    // 打开设备节点
    fd = open("/dev/my_char_device", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open error");
        return -1;
    }

    if (strcmp(argv[1], "w") == 0) {
        // 写操作
        if (argc < 3) {
            fprintf(stderr, "Please provide data to write.\n");
            close(fd);
            return -1;
        }
        strncpy(buf, argv[2], sizeof(buf) - 1);
        if (write(fd, buf, sizeof(buf)) < 0) {
            perror("write error");
            close(fd);
            return -1;
        }
        printf("Data written: %s\n", buf);
    } else if (strcmp(argv[1], "r") == 0) {
        // 读操作
        if (read(fd, buf, sizeof(buf)) < 0) {
            perror("read error");
            close(fd);
            return -1;
        }
        printf("Data read: %s\n", buf);
    } else {
        fprintf(stderr, "Invalid operation. Use 'r' for read or 'w' for write.\n");
        close(fd);
        return -1;
    }

    // 关闭设备节点
    close(fd);
    return 0;
}

实现了简单对设备的读写测试， 主要是调用了 系统调用 的 open read write 接口

实现效果

加载编译后的模块到内核，在dev目录生成了 my_char_device 设备文件

运行编译好的用户程序

同样的也可以直接使用cat 和echo命令