【梦想终会实现】Linux驱动学习6

1、ioctrl接口的应用层与驱动层实现

// 驱动层部分，对应ioctrl的cmd：PWM_IOCTL_SET_FREQ、PWM_IOCTL_STOP
static int x210_pwm_ioctl(struct inode *inode, struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	switch (cmd) 
	{
		case PWM_IOCTL_SET_FREQ:
			printk("PWM_IOCTL_SET_FREQ:\r\n");
			if (arg == 0)
				return -EINVAL;
			PWM_Set_Freq(arg);
			break;

		case PWM_IOCTL_STOP:
		default:
			printk("PWM_IOCTL_STOP:\r\n");
			PWM_Stop();
			break;
	}

	return 0;
}

// file_operations 结构体
static struct file_operations dev_fops = {
    .owner   =   THIS_MODULE,
    .open    =   x210_pwm_open,
    .release =   x210_pwm_close, 
    .ioctl   =   x210_pwm_ioctl,
};

// 中间件层实现
fd = open("dev/buzzer", O_RDWR);
if (fd < 0)
{
    ...
}
ioctrl(fd, PWM_IOCTL_SET_FREQ, 1000); // 1000ms响一次
sleep(3);
ioctrl(fd, PWM_IOCTL_SET_FREQ, 300);  // 300ms响一次
sleep(3);

为何ioctrl存在而不是直接使用write？

明显为write仅支持不复杂的数据写入，若针对复杂的数据结构，若还用write接口，无疑会增加难度，故使用ioctrl接口，以应对复杂的控制。类似于文件的读、写、执行属性一样，ioctrl类似于执行这个属性。当然也可以通过给write写0.1.2.3这些魔法数字，驱动层根据不同的case来做特定处理，但这样的魔法数字会导致中间件层无法理解。

2、杂散设备：蜂鸣器、ADC

为什么还要给杂散设备归个类呢？

就是为了使用杂散类的接口，给该设备创建个主次设备号。

杂散设备kernel源码分析：

misc.c

static LIST_HEAD(misc_list);   // 定义双向链表头节点，以实现内核中杂项类设备的添加。

static DEFINE_MUTEX(misc_mtx); // 定义misc_mtx互斥锁

#define MISC_MAJOR		10     // 杂散类设备主设备号均为10，此设备号不同
#define MISC_DYNAMIC_MINOR	255

static int __init misc_init(void)
{
	int err;

#ifdef CONFIG_PROC_FS          // /proc虚拟文件系统，已不再使用
	proc_create("misc", 0, NULL, &misc_proc_fops);
#endif
	misc_class = class_create(THIS_MODULE, "misc");     // 创建misc类
	err = PTR_ERR(misc_class);
	if (IS_ERR(misc_class))
		goto fail_remove;

	err = -EIO;
	if (register_chrdev(MISC_MAJOR,"misc",&misc_fops))  // 注册主设备号
		goto fail_printk;
	misc_class->devnode = misc_devnode;
	return 0;

fail_printk:
	printk("unable to get major %d for misc devices\n", MISC_MAJOR);
	class_destroy(misc_class);
fail_remove:
	remove_proc_entry("misc", NULL);
	return err;
}

int misc_register(struct miscdevice * misc)
{
	struct miscdevice *c;
	dev_t dev;
	int err = 0;

	INIT_LIST_HEAD(&misc->list);                // 杂项类设备使用链表管理，此为初始化链表，使其指向自己。

	mutex_lock(&misc_mtx);
	list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {  // 遍历次设备号
		if (c->minor == misc->minor) {
			mutex_unlock(&misc_mtx);
			return -EBUSY;
		}
	}

	if (misc->minor == MISC_DYNAMIC_MINOR) {   // 次设备号创建，若为255则交由内核分配从设备号
		int i = find_first_zero_bit(misc_minors, DYNAMIC_MINORS);  // 找到第一个为0的位
		if (i >= DYNAMIC_MINORS) {
			mutex_unlock(&misc_mtx);
			return -EBUSY;
		}
		misc->minor = DYNAMIC_MINORS - i - 1;
		set_bit(i, misc_minors);
	}

	dev = MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor);   // 组合主次设备号成设备唯一的设备号

	misc->this_device = device_create(misc_class, misc->parent, dev,
					  misc, "%s", misc->name); // 根据主设备号和次设备号创建一个设备节点
	if (IS_ERR(misc->this_device)) {
		int i = DYNAMIC_MINORS - misc->minor - 1;
		if (i < DYNAMIC_MINORS && i >= 0)
			clear_bit(i, misc_minors);
		err = PTR_ERR(misc->this_device);
		goto out;
	}

	/*
	 * Add it to the front, so that later devices can "override"
	 * earlier defaults
	 */
	list_add(&misc->list, &misc_list);
 out:
	mutex_unlock(&misc_mtx);
	return err;
}

3、 设备号温故：

设备号创建温故：

register_chrdev（） 分配主设备号，第一个入参0，表示交由内核分配主设备号，同时注册了所有的次设备号。可以直接绑定到内核中。

register_chrdev_region()  静态分配从设备号

* register_chrdev_region() 函数 - 注册一组设备编号
* @from： 指定设备编号范围内的第一个编号；必须包含主设备号。若为0，表示自由分配一个主设备号。
* @count： 需要注册的连续设备编号的数量
* @name： 设备或驱动程序的名称。*

alloc_chrdev_region()      动态分配从设备号

* `alloc_chrdev_region()` 函数 - 注册一组字符设备编号
* @dev：输出参数，用于存储分配的第一个编号
* @baseminor：所请求的编号范围中的最小编号
* @count：所需的编号数量
* @name：与该设备或驱动程序相关联的名称*
* 分配一系列的字符设备编号。 主设备编号将动态选取，并与第一个从设备编号一同返回至 @dev 中。 返回零或一个负的错误代码。

// 经典源码分析
dev_t devt = MKDEV(arg->dev_major, arg->dev_minor);
if (!MAJOR(devt))  // 若不存在主设备号，则动态分配。
    rc = alloc_chrdev_region(&devt, MINOR(devt), 1, devinfo.name);
else               // 若存在主设备号，则使用。
    rc = register_chrdev_region(devt, 1, devinfo.name);

4、创建类和创建设备不冲突。

类创建用class_create()，设备创建用device_create()，设备创建时需要主次设备号，用***_chrdev_***相关函数创建即可，随后使用cdev绑定到内核。device_create(）关联应用层的udev处理，即上抛相关信息，上层接收到后创建/删除对应的设备文件。同时可以使用device_create_file的形式创建一些属性，以实现用户可以在/sys目录下操作内核。

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

static struct cdev my_cdev;
static dev_t dev_number;
static struct class *cls;
static int my_value = 0; // 示例属性值

// 定义属性结构体
static struct device_attribute my_attr = {
    .attr = {
        .name = "my_value",
        .mode = S_IRUGO | S_IWUSR,
    },
    .show = my_value_show,
    .store = my_value_store,
};

// 实现 show 函数
static ssize_t my_value_show(struct device *dev, struct device_attribute *attr, char *buf) {
    return sprintf(buf, "%d\n", my_value);
}

// 实现 store 函数
static ssize_t my_value_store(struct device *dev, struct device_attribute *attr, const char *buf, size_t count) {
    int ret = kstrtol(buf, 10, &my_value);
    if (ret < 0)
        return ret;
    return count;
}

static int __init my_init_module(void) {
    // 分配设备号
    alloc_chrdev_region(&dev_number, 0, 1, "my_device");

    // 初始化 cdev 结构体
    cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
    my_cdev.owner = THIS_MODULE;

    // 添加 cdev 到内核
    cdev_add(&my_cdev, dev_number, 1);

    // 创建设备类
    cls = class_create(THIS_MODULE, "my_class");

    // 创建设备节点
    struct device *dev = device_create(cls, NULL, dev_number, NULL, "my_device");

    // 创建 sysfs 属性文件
    if (IS_ERR(device_create_file(dev, &my_attr))) {
        pr_err("Failed to create sysfs attribute\n");
        return PTR_ERR(device_create_file(dev, &my_attr));
    }

    return 0;
}

static void __exit my_exit_module(void) {
    // 销毁 sysfs 属性文件
    device_remove_file(cls->dev, &my_attr);

    // 销毁设备节点
    device_destroy(cls, dev_number);

    // 销毁设备类
    class_destroy(cls);

    // 删除 cdev
    cdev_del(&my_cdev);

    // 释放设备号
    unregister_chrdev_region(dev_number, 1);
}

module_init(my_init_module);
module_exit(my_exit_module);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple character device with sysfs attributes");

5、为什么把/sys目录叫sysfs？

因为sysfs挂载于/sys目录下。sysfs是Linux的虚文件系统本身并不存在。

root@ubuntu:/sys/class/misc$ mount  | grep sysfs
sysfs on /sys type sysfs (rw,nosuid,nodev,noexec,relatime)

为什么需要mount？Linux中一切皆文件，允许将文件系统与自身的目录树挂接起来。通过挂载，将不同文件系统隔离开来，各文件系统均有读、写、执行权限。支持通过mount挂载USB（U盘）、网络设备(NFS、MSB)、虚拟文件设备（/sys、/proc）。

mount [-t fstype] [-o options] device dir

• -t fstype：指定文件系统类型，如 ext4、ntfs、nfs 等。如果不指定，mount 会尝试自动检测文件系统类型。
• -o options：指定挂载选项，多个选项之间用逗号分隔。常见的选项包括：
  • ro：以只读模式挂载。
  • rw：以读写模式挂载（默认）。
  • sync：同步模式，所有写操作都会立即写入磁盘。
  • async：异步模式，写操作可能会延迟写入磁盘（默认）。
  • noexec：禁止在文件系统上执行程序。
  • exec：允许在文件系统上执行程序（默认）。
  • nosuid：忽略文件系统上的 SUID 和 SGID 位。
  • suid：允许文件系统上的 SUID 和 SGID 位（默认）。
  • nodev：不允许文件系统上包含设备文件。
  • dev：允许文件系统上包含设备文件（默认）。
  • remount：重新挂载已经挂载的文件系统，可以修改挂载选项。

示例：mount /dev/sdb1 /mnt/data

6、

字符设备使用数组，杂散类设备使用链表。

位图：使用位图来表示设备的设备号或状态标志，相对于数组，可以占用更少的内存和按位访问有更快的执行效率。

静态位图的声明：

static DECLARE_BITMAP(misc_minors, DYNAMIC_MINORS);

声明后后续可以访问位图：

        int i = find_first_zero_bit(misc_minors, DYNAMIC_MINORS); // 查找位图中第一个不为0的位。

7、