2019.05.08 《Linux驱动开发入门与实战》

第六章：字符设备

申请设备号---注册设备

1、字符设备的框架：

2、结构体，struct cdev：

3、字符设备的组成：

4、例子：

5、申请和释放设备号：

设备号和设备节点是什么关系。？

设备驱动中，很多功能是通过设备号完成的。

步骤：

构建字符设备前，应该申请设备号：所用到的函数是下面两个：

该函数在<fs/char_dev.c>中定义

　　int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)；

　　int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor,unsigned count, const char *name) ；

释放设备号，统一使用下面的函数，通常在模块的卸载函数中会调用这个。

　　void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);

申请字符设备的设备号后，需要将字符设备注册到系统中。这样才能使用字符设备。

为了实现这个过程，需要先解释cdev结构体。cdev结构体描述字符设备，该结构体是

所有字符设备的抽象，其包含了大量字符设备所共有的特性。

　　cdev中kobj成员，用于内核管理字符设备，驱动开发基本不用。

　　cdev中ops指向的file_operations结构的指针，该结构定义了操作字符设备的函数。

　　cdev中dev是用来存储字符设备所申请的设备号。

　　cdev中count表示目前有多少个字符设备在使用改启动程序。

　　cdev中list是一个双向链表，用于将其他结构体链接成一个双向链表。这种结构在linux中常用，需要掌握。

每一个字符设备在/dev目录下都有一个设备文件，打开设备文件就相当于打开相应的字
符设备。例如应用程序打开设备文件A，那么系统会产生一个inode结点。这样可以通过
inode结点的i_cdev字段找到cdev字符结构体。通过cdev的ops指针，就能找到设备A的
操作函数。对操作函数的讲解，将放在后面的内容中。

file_operations是一个对设备进行操作的抽象结构体。Linux内核的设计非常巧妙。内
核允许为设备建立一个设备文件，对设备文件的所有操作，就相当于对设备的操作。这
样的好处是，用户程序可以使用访问普通文件的方法访问设备文件，进而访问设备。这
样的方法，极大地减轻了程序员的编程负担，程序员不必去熟悉新的驱动接口，就能够
访问设备。

对普通文件的访问常常使用open()、read()、write()、close()、ioctl()等方法。同
样对设备文件的访问，也可以使用这些方法。这些调用最终会引起对
file_operations结构体中对应函数的调用。对于程序员来说，只要为不同的设备编写
不同的操作函数就可以了。

为了使file_operations结构体具有通用性，file_operations会不断地扩充，现在已经非常

庞大，只需要对file_operations结构体中几个重要的成员进行分析：

　　owner成员根本不是一个函数；它是一个指向拥有这个结构模块的指针。这个成员用来
　　维持模块的引用计数，当模块还在使用时，不能用rmmod卸载模块。几乎所有时刻，它
　　被简单初始化为 THIS_MODULE，一个在<linux/module.h>中定义的宏。

　　llseek()函数用来改变文件中的当前读/写位置，并将新位置返回。loff_t参数是一个
　　"long long"类型，"long long"类型即使在32位机上也是64位宽。这是为了与64位机兼
　　容而定的，因为64位机的文件大小完全可以突破4G。

　　read()函数用来从设备中获取数据，成功时函数返回读取的字节数，失败时返回一个负
　　的错误码。
　　write()函数用来写数据到设备中。成功时该函数返回写入的字节数，失败时返回一个
　　负的错误码。
　　ioctl()函数提供了一种执行设备特定命令的方法。例如使设备复位，这既不是读操作
　　也不是写操作，不适合用read()和write()方法来实现。如果在应用程序中给ioctl传入
　　没有定义的命令，那么将返回-ENOTTY的错误，表示该设备不支持这个命令。
　　open()函数用来打开一个设备，在该函数中可以对设备进行初始化。如果这个函数被复
　　制NULL，那么设备打开永远成功，并不会对设备产生影响。
　　release()函数用来释放open()函数中申请的资源，将在文件引用计数为0时，被系统调
　　用。其对应应用程序的close()方法，但并不是每一次调用close()方法，都会触发
　　release()函数，在对设备文件的所有打开都释放后，才会被调用。

一般来说，驱动开发人员会将特定设备的特定数据放到cdev结构体后，组成一个新的结
构体。如图6.3所示，"自定义字符设备"中就包含特定设备的数据。该"自定义设备"中
有一个cdev结构体。cdev结构体中有一个指向file_operations的指针。这里
，file_operations中的函数就可以用来操作硬件，或者"自定义字符设备"中的其他数
据，从而起到控制设备的作用。

inode结构体 【这个可以理解为设备节点？】
内核使用inode结构在系统内部表示文件。inode一般作为file_operations结构中函数的参
数传递过来。例如，open()函数将传递一个inode指针进来，表示目前打开的文件结点
。需要注意的是，inode的成员已经被系统赋予了合适的值，驱动程序只需要使用该结
点中的信息，而不用更改。Oepn()函数为：int (*open) (struct inode *, struct file *);

inode结构中包含大量的有关文件的信息。这里，只对编写驱动程序有用的字段进行介
绍，对于该结构更多的信息，可以参看内核源码。

　　dev_t i_rdev，表示设备文件对应的设备号。

　　struct list_head i_devices，如图6.2所示，该成员使设备文件连接到对应的cdev结
　　构，从而对应到自己的驱动程序。

　　struct cdev *i_cdev，如图6.2所示，该成员也指向cdev设备。
　　除了从dev_t得到主设备号和次设备号外，这里还可以使用imajor()和iminor()函数从
　　i_rdev中得到主设备号和次设备号。

在Linux系统中，字符设备驱动程序由以下几个部分组成。

　　字符设备加载和卸载函数

　　　　在字符设备的加载函数中，应该实现字符设备号的申请和cdev的注册。相反，在字符设
　　　　备的卸载函数中应该实现字符设备号的释放和cdev的注销。
　　　　cdev是内核开发者对字符设备的一个抽象。除了cdev中的信息外，特定的字符设备还需
　　　　要特定的信息，常常将特定的信息放在cdev之后，形成一个设备结构体，如代码中的
　　　　xxx_dev。

　　file_operations结构体和其成员函数

　　驱动程序与应用程序的数据交换

字符设备是3大类设备（字符设备、块设备、网络设备）中较简单的一类设备，其驱动
程序中完成的主要工作是初始化、添加和删除cdev结构体，申请和释放设备号，以及填
充file_operation结构体中操作函数，并实现file_operations结构体中的read()、
write()、ioctl()等重要函数。如图6.4所示为cdev结构体、file_operations和用户空
间调用驱动的关系。