内核实验（六）：使用misc框架，实现简单字符设备驱动

一、篇头

使用自行组建的Qemu Linux虚拟机，提升效率，继续内核实验。本文将学习使用misc框架来创建设备驱动。

在linux系统中，主设备号，在历史的长河里，都是固定分配好的（见内核文档 Documentation/admin-guide/devices.txt）。对于其他研究内核驱动，或编写驱动的开发人员来说，必须保证自己所使用的主设备号不与现有设备号发生冲突。方法一，自然是使用内核实验（五）中所使用的动态分配接口。其次，就是使用MISC设备驱动框架，它为这些小设备提供了一个公用的主设备号，此设备号则依据申请分配。

二、系列文章

略……

三、实验环境

• 编译服务器+NFS：ubuntu 22.04
• Qemu 虚拟机：Linux version 5.15.102 + Buysbox 1.3.36 + ARM_32bit
• Qemu 启动命令：qemu-system-arm -nographic -M vexpress-a9 -m 1024M -kernel arch/arm/boot/zImage -initrd …/busybox/rootfs.ext4.img.gz -dtb arch/arm/boot/dts/vexpress-v2p-ca9.dtb

四、源码解析

4.1 app源码

• 文件名：linux-stable\my_kmodules\app_test.c

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#define MY_DEV_NAME "/dev/my_dev"

int main()
{
   
   
    char buffer[64];
    int fd;
    fd = open(MY_DEV_NAME, O_RDONLY);
    if (fd < 0) {
   
   
        printf("open device %s failded\n", MY_DEV_NAME);
        return -1;
    }
    read(fd, buffer, 64);
    close(fd);
    return 0;
}

4.2 驱动源码

• 文件名：linux-stable\my_kmodules\test_4.c

4.2.1 关键部分

/*
* （1）使用MISC_DYNAMIC_MINOR动态分配次设备号；而主设备号则自动使用MISC框架的主设备号10；
* （2）创建MISC设备结构体 struct miscdevice test_4_misc_device； 
* （3）使用misc_register() 注册MISC框架设备驱动；使用 misc_deregister()注销。
*/
static struct miscdevice test_4_misc_device ={
   
   

    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = MY_DEV_NAME,
    .fops = &test_fops,
};

4.2.2 完整源码

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

#define MY_DEV_NAME "my_dev"

static int test_4_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
   
   
    int major = MAJOR(inode->i_rdev);
    int minor = MINOR(inode->i_rdev);

    pr_info("%s: major=%d, minor=%d\n", __func__, major, minor);
    return 0;
}

static int test_4_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
   
   
    pr_info("%s \n", __func__);

    return 0;
}

static ssize_t test_4_read(struct file *file, char __user *buf, size_t lbuf, loff_t *ppos)
{
   
   
    pr_info("%s \n", __func__);
    return 0;
}

static ssize_t test_4_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
   
   
    pr_info("%s \n", __func__);
    return 0;

}

static const struct file_operations test_fops = {
   
   
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = test_4_open,
    .release = test_4_release,
    .read = test_4_read,
    .write = test_4_write
};

static struct miscdevice test_4_misc_device ={
   
   

    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = MY_DEV_NAME,
    .fops = &test_fops,
};


static int __init test_4_init(void)
{
   
   
    int ret;

    pr_info("test_4_init\n");

    ret = misc_register(&test_4_misc_device);
    if (ret != 0 ) {
   
   
        pr_err("failed to misc_register");
        return ret;
    }

    pr_err("Minor number = %d\n", test_4_misc_device.minor);

    return 0;
}

static void __exit test_4_exit(void)
{
   
   
    pr_info("test_4_exit\n");
    misc_deregister(&test_4_misc_device);
}

module_init(test_4_init);
module_exit(test_4_exit);

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
MODULE_AUTHOR("szhou <66176468@qq.com>");
MODULE_DESCRIPTION("test_4, 使用misc框架开发设备驱动");

4.3 Makefile

• 文件名：linux-stable\my_kmodules\Makefile
• 本实验，继承之前的做法，只单独添加test_4.o即可

KDIR := /home/szhou/works/qemu_linux/linux-stable

obj-m := test_1.o test_2.o test_3.o test_4.o
all :
    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:
    $(MAKE) -C $(KDIR) SUBDIRS=$(PWD) clean
    rm -f *.ko

五、编译及部署

（1）执行驱动KO编译
shou@bc01:~/works/qemu_linux/linux-stable/my_kmodules$ make 
make -C /home/szhou/works/qemu_linux/linux-stable M=/home/szhou/works/qemu_linux/linux-stable/my_kmodules modules
make[1]: Entering directory '/home/szhou/works/qemu_linux/linux-stable'
  CC [M]  /home/szhou/works/qemu_linux/linux-stable/my_kmodules/test_4.o
  MODPOST /home/szhou/works/qemu_linux/linux-stable/my_kmodules/Module.symvers
  LD [M]  /home/szhou/works/qemu_linux/linux-stable/my_kmodules/test_4.ko
make[1]: Leaving directory '/home/szhou/works/qemu_linux/linux-stable'
szhou@bc01:~/works/qemu_linux/linux-stable/my_kmodules$

（2）编译APP，采用 --staitc 静态链接
szhou@bc01:~/works/qemu_linux/linux-stable/my_kmodules$ arm-linux-gnueabi-gcc app_test.c -o app_test --static

（3）将KO和APP存放到NFS共享目录
szhou@bc01:~/works/qemu_linux/linux-stable/my_kmodules$ cp test_4.ko ~/works/nfs_share/
szhou@bc01:~/works/qemu_linux/linux-stable/my_kmodules$ cp app_test ~/works/nfs_share/
szhou@bc01:~/works/qemu_linux/linux-stable/my_kmodules$

六、运行及测试

（1）启动之前编译组建的QEMU虚拟机
Please press Enter to activate this console. 

（2）挂载NFS共享目录
~ #  mount -t nfs -o nolock 192.168.3.67:/home/szhou/works/nfs_share /mnt

（3）查看设备文件，这时候还没加载驱动，也没创建节点，所以肯定是没有的
~ # ls /dev | grep my
~ # ls /sys/class/misc | grep my

（4） 加载ko
~ # cd /mnt/
/mnt # insmod  test_4.ko 
test_4: loading out-of-tree module taints kernel.
test_4_init
Minor number = 125

（4）查看设备文件，可见/dev/my_dev 依旧是不存在的（这是因为/dev下的设备并非由驱动创建，而是由/sbin/mdev -s，此处我们就手动创建就行）
/mnt # ls /dev | grep my

（5）查看misc设备，可见已创建 /sys/class/misc/my_dev， 但这是设备目录文件，非设备的用户接口
/mnt # ls /sys/class/misc | grep my
my_dev

（6）手动创建设备文件，主设备号为MISC框架的设备号：10 （日常开发misc，会自动调用 /sbin/mdev -s创建设备，此处虽然已经配置，但我的hotplug还是有问题，暂时用手动创建了）
/mnt # mdev -s （会检查/sys/class下所有dev文件，并创建/dev/xxx），效果等同于下面这个命令
（# mknod /dev/my_dev c 10 125 ）

（7）运行测试程序，将执行 fd = open("/dev/my_dev", O_RDONLY);
/mnt # ./app_test 
test_4_open: major=10, minor=125
test_4_read 
test_4_release 
/mnt #

效果图示：

七、篇尾

略……