掌握Linux4.4字符设备编程的关键知识 (linux4.4字符设备)
Linux4.4字符设备编程是Linux内核的一项重要功能，它给开发者提供了一个对底层硬件进行读写操作的方式。不仅能够帮助开发者更好地理解Linux内核的工作原理，还可以让开发者更好地应用Linux内核提供的接口，开发出更高质量的代码。
本文将重点介绍，包括：
1.字符设备和块设备的区别和特点
2.字符设备编程的基本流程和实现方法
3.字符设备驱动程序的模板和示例
4.字符设备的常见问题和解决方法
1.字符设备和块设备的区别和特点
在学习Linux4.4字符设备编程之前，我们需要了解字符设备和块设备的区别和特点。
字符设备是一种特殊的设备，它的最小单位是字节（8位），是对字节流进行读写的设备。特点是具有实时性、无序性和可随机访问性。常用的字符设备包括串口、打印机、键盘等。
块设备是以块（512字节）为最小单位进行读写的设备，它支持块随机访问，可以进行高效的数据读写。常用的块设备包括硬盘、U盘等。
2.字符设备编程的基本流程和实现方法
在进行Linux4.4字符设备编程时，需要遵循以下基本流程：
（1）定义字符设备结构体
字符设备结构体包含了设备编号、驱动程序名称、设备文件的主设备号和次设备号、设备打开、关闭、读取、写入等操作的函数指针等信息。
（2）实现字符设备的初始化函数
初始化函数会调用设备结构体里的函数指针。
（3）注册字符设备
可以使用register_chrdev()函数来注册字符设备。
（4）卸载字符设备
可以使用unregister_chrdev()函数来卸载字符设备。
实现方法如下：
（1）编写字符设备结构体
struct cdev mycdev;
const struct file_operations mycdev_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = mycdev_open,
.release = mycdev_release,
.write = mycdev_write,
.read = mycdev_read,
};
（2）实现字符设备的初始化函数
static int __init mycdev_init(void)
{
int ret;
/* 申请设备号 */
ret = alloc_chrdev_region(&mydev, 0, 1, “mycdev”);
if (ret) {
printk(KERN_ERR “alloc_chrdev_region fl\n”);
goto err_alloc;
}
/*初始化字符设备结构体*/
cdev_init(&mycdev, &mycdev_fops);
mycdev.owner = THIS_MODULE;
/* 注册字符设备 */
ret = cdev_add(&mycdev, mydev, 1);
if (ret) {
printk(KERN_ERR “cdev_add fl\n”);
goto err_add;
}
printk(KERN_INFO “mycdev_init success\n”);
return 0;
err_add:
unregister_chrdev_region(mydev, 1);
err_alloc:
return ret;
}
（3）注册字符设备
static int __init mymodule_init(void)
{
int ret;
ret = mycdev_init();
if (ret) {
printk(KERN_ERR “mycdev_init fl\n”);
}
return ret;
}
（4）卸载字符设备
static void __exit mymodule_exit(void)
{
cdev_del(&mycdev);
unregister_chrdev_region(mydev, 1);
}
3.字符设备驱动程序的模板和示例
字符设备驱动程序通常使用模板文件，需要将其编译为内核模块，常见的模板文件有内核提供的chardev.c文件、lkm_dev.c文件等。
实现一个简单的字符设备驱动程序示例如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
MODULE_AUTHOR(“your name”);
MODULE_LICENSE(“GPL”);
MODULE_DESCRIPTION(“Linux4.4 character device driver demo”);
#define BUF_SIZE 1024
static char *buffer;
static dev_t mydev;
static struct cdev mycdev;
static int buf_len = 0;
static int mycdev_open(struct inode *inode, struct file *filp) {
printk(KERN_INFO “Opening mycdev\n”);
return 0;
}
static int mycdev_release(struct inode *inode, struct file *filp) {
printk(KERN_INFO “Closing mycdev\n”);
return 0;
}
static ssize_t mycdev_read(struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {
ssize_t ret = 0;
if (*f_pos >= buf_len) {
return 0;
}
if (*f_pos+count > buf_len) {
count = buf_len – *f_pos;
}
if (copy_to_user(buf, buffer + *f_pos, count)) {
ret = -EFAULT;
} else {
*f_pos += count;
ret = count;
}
return ret;
}
static ssize_t mycdev_write(struct file *filp, const char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {
ssize_t ret = 0;
if (*f_pos+count >= BUF_SIZE) {
return -ENOSPC;
}
if (copy_from_user(buffer + *f_pos, buf, count)) {
ret = -EINVAL;
} else {
*f_pos += count;
buf_len = *f_pos;
ret = count;
}
return ret;
}
static int __init mycdev_init(void) {
int ret;
/* Allocate major and minor device number */
ret = alloc_chrdev_region(&mydev, 0, 1, “mycdev”);
if (ret
printk(KERN_ERR “fled to allocate chrdev region\n”);
goto err_alloc;
}
/* Initialize cdev struct and file_operations */
cdev_init(&mycdev, &mycdev_fops);
mycdev.owner = THIS_MODULE;
/* Register cdev */
ret = cdev_add(&mycdev, mydev, 1);
if (ret
printk(KERN_ERR “fled to add cdev to device\n”);
goto err_add;
}
/* Allocate memory for buffer */
buffer = kmalloc(BUF_SIZE, GFP_KERNEL);
if (!buffer) {
printk(KERN_ERR “fled to allocate buffer\n”);
goto err_buffer;
}
printk(KERN_INFO “success\n”);
return 0;
err_buffer:
cdev_del(&mycdev);
unregister_chrdev_region(mydev, 1);
err_add:
unregister_chrdev_region(mydev, 1);
err_alloc:
return ret;
}
static void __exit mycdev_exit(void) {
if (buffer) {
kfree(buffer);
}
cdev_del(&mycdev);
unregister_chrdev_region(mydev, 1);
printk(KERN_INFO “success\n”);
}
static const struct file_operations mycdev_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = mycdev_open,
.release = mycdev_release,
.read = mycdev_read,
.write = mycdev_write,
};
module_init(mycdev_init);
module_exit(mycdev_exit);
4.字符设备的常见问题和解决方法
在实现Linux4.4字符设备编程时，可能会遇到如下常见问题：
（1）设备文件无法打开
设备文件无法打开的原因可能是字符设备结构体中的file_operations指针没有被正确初始化，或者在初始化时发生了错误。可以通过查看内核日志来定位问题所在，进而进行修复。
（2）数据读写出错
在进行数据读写时，可能会出现内存不足、数据拷贝失败等问题，导致数据读写错误。可以通过增加缓冲区大小、优化数据拷贝等方式来避免这些问题。
（3）内核崩溃
如果内核崩溃，可能是因为字符设备驱动程序存在严重bug，比如访问空指针、越界访问等。可以通过编写合理的代码并实现严格的错误检查来避免这些问题。
相关问题拓展阅读：
谁知道linux用mknod怎么创建设备，创建了设备怎么用？
mknod命令用于创建一个设备文件，即特殊文件
操作系统与外虚乎核部设备
（例如：磁盘驱动器，打印机，modern，终端 等等）都是
通过设备文件来进行通信
的，在Unix/Linux系统与外部设备通讯之前，这个设备必须首先要有一个设备文件，
设备文件均放在/dev目录下。
一般情况下在安装系统的时候系统自动创建了很多已检测到的设备的设备文件，但有时候我们也需要自己手动创建，命令行生成设备文件的方式有 insf，mksf，mknod等等
根据mknod命令的使用参数来看【mknod Name { b | c } Major Minor 】，使用mknod之前，至少要明白以下几点：
设备文件类型：分为块设备和字符设备。ls -l /dev 结果显示之一个字段有b*** 和 c****，这里即标识了块设备和字符设备。
字符设备文件—-字符设备文件传送数据给设备的时候，一次传送一个字符，终端，打印机顷皮，绘图仪，modern等设备都经过字符设备文件传送数据。
块设备—系统通过块设备文件存取一个设备的时候，先从内存中的buffer中读或写数据，而不是直接传送数据到物理磁盘，这种方式能有效的提高磁盘和CD-ROMS的I/O性能。磁盘和CD-ROMS既可以使用字符设备文件也可使用块设备文件。
主号和次号：
主号：当在任意目录使用ls -l 时，结果的第5个字段就是主号，
设备主号代表了这个设备使用的是哪个设备驱动程序。
次号：次号是一个24位的十六进制数字，
定义了设个设备在系统中的物理的位置。
就拿我们常用的创建卷组来看;
先来看看mknod 命令，如果该设备文件你想放在一个特定的文件夹下当然就先创建文件夹
mknod 设备文件名 b/c 主号 次号
{ mkdir /dev/vg01
mknod /dev/vg01/group cX010000}创建之后，就可以使用你想要创建的设备了，如我现在的卷组的创建命令：
vgcreate /dev/vg01 /dev/dsk/c*t*d*
一直进行下去之后的步骤根据不同的设备而差掘不尽相同
LINUX misc设备是什么
杂项设备（misc device）
杂项设备也是在嵌入式系统中用得比较多的一种设备册慧驱动。在 Linux 内核的include/linux目录下有Miscdevice.h文件，要把自己定义的misc device从设备定义在这里。其实悉岩是因为这些字符设备不符合预先确定的字符设备范畴，所有这些设备采用主编号10 ，一起归于misc device，其实misc_register就是用主标号10调用register_chrdev()的。
也就是说，misc设备其实也就是特殊的字符设备。
字符设备(char device)
使用register_chrdev(LED_MAJOR,DEVICE_NAME,&dev_fops)注册字符设备驱动程序时，如果有多个设备使用该函数注册驱动程序，LED_MAJOR不能相同州陆答，否则几个设备都无法注册(我已验证)。如果模块使用该方式注册并且 LED_MAJOR为0(自动分配主设备号 )，使用inod命令加载模块时会在终端显示分配的主设备号和次设备号，在/dev目录下建立该节点，比如设备leds，如果加载该模块时分配的主设备号和次设备号为253和0，则建立节点:mknod leds c 253 0。使用register_chrdev (LED_MAJOR,DEVICE_NAME,&dev_fops)注册字符设备驱动程序时都要手动建立节点 ，否则在应用程序无法打开该设备。
杂项设备（misc device）
杂项设备也桐启禅是在嵌入式系统中用得比较多的一种设备驱动。在 Linux 内核的include\linux目录下有Miscdevice.h文件，要把自己定义的misc device从设备旁侍定义在这里。其实是因为这些字符设备不符合预先确定的字符设备范畴，所有这些设备采用主编号10，一起归于局尘misc device，其实misc_register就是用主标号10调用register_chrdev()的。
也就是说，misc设备其实也就是特殊的字符设备。
为不好归类的设备归为一 类。另外不用自己申请主设备号，而且不会随便占用其他主设备号
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