Linux系统中多个同类设备共用一套驱动

1. 应用场景

比如我们的设备上有很多一样的usb接口，这些usb接口都需要有驱动才能工作，那么是每个usb都一套单独的驱动程序么？显然不是的，这些usb接口属于同一类设备，用户对他们的操作方法完全一致，只不过不是同一个设备，所以他们可以复用同一套驱动代码，在代码中去判断用户要操作哪个设备，然后去open/read/write这个设备。

2. 如何区分不同的设备

前面说过，每个设备都有一个唯一的标识符–设备号，那么对于同一类设备，它们的主设备号是一样的，次设备号是不一样的，用来区分它们，当用户想要操作哪个具体的设备，就会打开这个设备对应的设备文件（inode结构体），并自动在内核中创建对应的file结构体，这个file结构体中就保存了用户操作的所有信息，最终会传给我们的内核驱动，驱动再根据这个file结构体和inode结构体来判断用户具体要操作的哪个设备，然后去read/write这个具体的设备。

案例：

 

hanp@hanp:/dev/usb$ ls -l
crw------- 1 root root 180, 0  3月 11 17:29 hiddev0
crw------- 1 root root 180, 1  3月 11 17:29 hiddev1

 

我的主机下面的两个usb设备，他们共用了一套usb驱动，但是他们的设备号是不一样的（180，0）和（180，1），主设备号都是180表示都属于同一类设备（usb设备），次设备号分别是0和1，表示这是两个不同的设备。

3. 代码实现

 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


#define NUM_OF_DEVICES    2


int major = 255;


/* 两个设备，所以有两套结构体 */
/* 设备0对应的设备结构体是hello_dev[0], 设备1对应的设备结构体是hello_dev[1] */
struct hello_device {
    dev_t devno;
    struct cdev cdev;
    char data[128];
    char name[16];
}hello_dev[NUM_OF_DEVICES];


struct class * hello_class;


const char DEVNAME[] = "hello_device";


int hello_open(struct inode * ip, struct file * fp)
{
    printk("%s : %d
", __func__, __LINE__);
    
    /* 获取用户打开的设备对应的设备结构体 hello_dev[0] 或者 hello_dev[1] */
    struct hello_device * dev = container_of(ip->i_cdev, struct hello_device, cdev);
    
    /* open的时候，通过container_of能够获取到用户要打开的那个设备的设备结构体，所有需要把这个结构体通过file指针的
     * private_data参数传递给read/write */
    fp->private_data = dev;
    
    /* 一般用来做初始化设备的操作 */
    /* ... */
    
    return 0;
}


int hello_close(struct inode * ip, struct file * fp)
{
    printk("%s : %d
", __func__, __LINE__);
    
    /* 一般用来做和open相反的操作，open申请资源，close释放资源 */
    /* ... */
    
    return 0;
}


ssize_t hello_read(struct file * fp, char __user * buf, size_t count, loff_t * loff)
{
    int ret;
    
    /* 通过file指针，获取到用户要操作的设备对应的设备结构体 */
    struct hello_device * dev = fp->private_data;
    
    /* 将用户需要的数据从内核空间copy到用户空间(buf) */
    printk("%s : %d
", __func__, __LINE__);
    if (count <=0 || count > 128)
        count = 128;
    if ((ret = copy_to_user(buf, dev->data, count)))
    {
        printk("copy_to_user err
");
        return -1;
    }
    
    return count;
}


ssize_t hello_write(struct file * fp, const char __user * buf, size_t count, loff_t * loff)
{
    int ret;
    struct hello_device * dev = fp->private_data;
    
    /* 将用户需要的数据从内核空间copy到用户空间(buf) */
    printk("%s : %d
", __func__, __LINE__);
    if (count <=0 || count > 128)
        count = 128;
    if ((ret = copy_from_user(dev->data, buf, count)))
    {
        printk("copy_from_user err
");
        return -1;
    }
    
    return count;
}
/* 2. 分配file_operations结构体 */
struct file_operations hello_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open  = hello_open,
    .release = hello_close,
    .read = hello_read,
    .write = hello_write
};


struct cdev cdev;


static int hello_init(void)
{
    int i;
    printk("%s : %d
", __func__, __LINE__);
    
    /* 1. 生成并注册两个设备的设备号 */
    /* 3. 分配、设置、注册两套cdev结构体 */
    for (i = 0; i < NUM_OF_DEVICES; i++)
    {
        hello_dev[i].devno = MKDEV(major, i);
        sprintf(hello_dev[i].name, "%s%d", DEVNAME, i);
        register_chrdev_region(hello_dev[i].devno, 1, hello_dev[i].name);
        
        hello_dev[i].cdev.owner = THIS_MODULE;
        cdev_add(&hello_dev[i].cdev, hello_dev[i].devno, 1);
        cdev_init(&hello_dev[i].cdev, &hello_fops);
        
        /* 初始化两个设备各自的存储空间 */
        sprintf(hello_dev[i].data, "Hi, I am hello device %d", i);
    }
    
    /* 在/sys/class目录下创建hello类，并在这个类下面创建hello_device0和hello_device1 */
    hello_class = class_create(THIS_MODULE, DEVNAME);
    for (i = 0; i < NUM_OF_DEVICES; i++)
    {
        device_create(hello_class, NULL, hello_dev[i].devno, NULL, "%s%d", DEVNAME, i);
        printk("success!
");
    }
    return 0;
}


static void hello_exit(void)
{
    int i;
    printk("%s : %d
", __func__, __LINE__);
    
    /* 释放资源 */
    for (i = 0; i < NUM_OF_DEVICES; i++)
    {
        device_destroy(hello_class, hello_dev[i].devno);
        cdev_del(&hello_dev[i].cdev);
        unregister_chrdev_region(hello_dev[i].devno, 1);
    }
    class_destroy(hello_class);
}


MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

 

解释：

 

container_of:
/**
 * container_of - cast a member of a structure out to the containing structure
 * @ptr:        the pointer to the member.
 * @type:       the type of the container struct this is embedded in.
 * @member:     the name of the member within the struct.
 *
 */
#define container_of(ptr, type, member)

 

功能：根据结构体中某个成员的地址，从而获取到整个结构体的首地址

@ptr: 已知结构体成员的地址

@type: 要获取的结构体的类型

@member: 已知结构体成员的名字

我们用到的实例解析：

struct hello_device * dev = container_of(ip->i_cdev, struct hello_device, cdev);

文章最后的图解和上篇文章中我讲到file结构体和inode结构体的关系，其中inode结构体和文件系统下的文件是一一对应的关系，里面保存了这个字符设备对应的cdev结构体：

struct cdev * i_cdev，而这个cdev结构体又包含在设备结构体hello_device中，其中hello_dev[0]中包含的是设备0的cdev，hello_dev[1]中包含的是设备1的cdev，那么

container_of函数就可以根据这个cdev来判断用户打开的是hello_dev[0]还是hello_dev[1]并获取到地址。

编译安装驱动：

sudo insmod hello.ko

 

hanp@hanp:/dev$ ls hello_device*
hello_device0  hello_device1

hanp@hanp:/dev$ cat /proc/devices | grep hello
255 hello_device0
255 hello_device1

 

可以看到在/proc/devices下注册了两个设备hello_device0和hello_device1，这两个设备的主设备一样都是255，但是次设备号不一样（cat /dev/hello_deviceX可以查看次设备号）。

4. 写应用程序进行测试 app.c

 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 


int main(char argc, char * argv[])
{
    int fd;
    int ret;
    char buf[64];
    
    if (argc != 2)
    {
        printf("Usage: %s 
", argv[0]);
        return -1;
    }
    
    fd = open(argv[1], O_RDWR);
    if (fd < 0)
    {
        perror("fail to open file");
        return -1;
    }
    
    /* read data */
    ret = read(fd, buf, sizeof(buf));
    if (ret < 0)
    {
        printf("read err!");
        return -1;
    }
    printf("buf = %s
", buf);
    
    /* write data */
    strcpy(buf, "write data from app!");
    ret = write(fd, buf, sizeof(buf));
    if (ret < 0)
    {
        printf("write err!");
        return -1;
    }
    read(fd, buf, sizeof(buf));
    printf("buf = %s
", buf);
    
    close(fd);
    return 0;
}

 

测试：

 

$ gcc app.c
$ sudo ./a.out /dev/hello_device0
buf = Hi, I am hello device 0
buf = write data from app!
$ sudo ./a.out /dev/hello_device1
buf = Hi, I am hello device 1
buf = write data from app!

 

　　审核编辑：汤梓红