蜕变成蝶~Linux设备驱动之字符设备驱动

一、linux系统将设备分为3类：字符设备、块设备、网络设备。使用驱动程序：

• 字符设备：是指只能一个字节一个字节读写的设备，不能随机读取设备内存中的某一数据，读取数据需要按照先后数据。字符设备是面向流的设备，常见的字符设备有鼠标、键盘、串口、控制台和LED设备等。
• 块设备：是指可以从设备的任意位置读取一定长度数据的设备。块设备包括硬盘、磁盘、U盘和SD卡等。

　　每一个字符设备或块设备都在/dev目录下对应一个设备文件。linux用户程序通过设备文件（或称设备节点）来使用驱动程序操作字符设备和块设备。

二、字符设备、字符设备驱动与用户空间访问该设备的程序三者之间的关系。

　　如图，在Linux内核中使用cdev结构体来描述字符设备，通过其成员dev_t来定义设备号（分为主、次设备号）以确定字符设备的唯一性。通过其成员file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数，如常见的open()、read()、write()等。

在Linux字符设备驱动中，模块加载函数通过register_chrdev_region( ) 或alloc_chrdev_region( )来静态或者动态获取设备号，通过cdev_init( )建立cdev与file_operations之间的连接，通过cdev_add( )向系统添加一个cdev以完成注册。模块卸载函数通过cdev_del( )来注销cdev，通过unregister_chrdev_region( )来释放设备号。

用户空间访问该设备的程序通过Linux系统调用，如open( )、read( )、write( )，来“调用”file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数。

三、字符设备驱动模型

1. 驱动初始化

1.1. 分配cdev

在2.6的内核中使用cdev结构体来描述字符设备，在驱动中分配cdev,主要是分配一个cdev结构体与申请设备号，以按键驱动为例：

 /*……*/
 /* 分配cdev*/
 struct cdev btn_cdev;
 /*……*/
 /* 1.1 申请设备号*/
     if(major){
         //静态
         dev_id = MKDEV(major, );
         register_chrdev_region(dev_id, , "button");
     } else {
         //动态
         alloc_chardev_region(&dev_id, , , "button");
         major = MAJOR(dev_id);
     }
 /*……*/

从上面的代码可以看出，申请设备号有动静之分，其实设备号还有主次之分。

在Linux中以主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序。次编号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备。cdev 结构体的 dev_t 成员定义了设备号，为 32 位，其中高 12 位为主设备号，低20 位为次设备号。

设备号的获得与生成：

获得：主设备号：MAJOR(dev_t dev);

次设备号：MINOR(dev_t dev);

生成：MKDEV(int major,int minor);

设备号申请的动静之分：

静态：

 int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)；
 /*功能：申请使用从from开始的count 个设备号(主设备号不变，次设备号增加）*/

静态申请相对较简单，但是一旦驱动被广泛使用,这个随机选定的主设备号可能会导致设备号冲突，而使驱动程序无法注册。

动态：

 int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name)；
 /*功能：请求内核动态分配count个设备号，且次设备号从baseminor开始。*/

动态申请简单，易于驱动推广，但是无法在安装驱动前创建设备文件（因为安装前还没有分配到主设备号）。

1.2. 初始化cdev

     void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *);
         cdev_init()函数用于初始化 cdev 的成员，并建立 cdev 和 file_operations 之间的连接。

1.3. 注册cdev

         int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
2 　　　　 cdev_add()函数向系统添加一个 cdev，完成字符设备的注册。

1.4. 硬件初始化

硬件初始化主要是硬件资源的申请与配置，以TQ210的按键驱动为例：

 /* 1.4 硬件初始化*/
     //申请GPIO资源
     gpio_request(S5PV210_GPH0(), "GPH0_0");
     //配置输入
     gpio_direction_input(S5PV210_GPH0());

  2.实现设备操作

用户空间的程序以访问文件的形式访问字符设备，通常进行open、read、write、close等系统调用。而这些系统调用的最终落实则是file_operations结构体中成员函数，它们是字符设备驱动与内核的接口。以TQ210的按键驱动为例：

 /*设备操作集合*/
 static struct file_operations btn_fops = {
     .owner = THIS_MODULE,
     .open = button_open,
     .release = button_close,
     .read = button_read
 };

上面代码中的button_open、button_close、button_read是要在驱动中自己实现的。file_operations结构体成员函数有很多个，下面就选几个常见的来展示：

2.1. open（）函数

原型：

 int(*open)(struct inode *, struct file*);
 /*打开*/

 2.2. read( )函数

原型：

ssize_t(*read)(struct file *, char __user*, size_t, loff_t*);
/*用来从设备中读取数据，成功时函数返回读取的字节数，出错时返回一个负值*/

2.3. write( )函数

原型：

 ssize_t(*write)(struct file *, const char__user *, size_t, loff_t*);
 /*向设备发送数据，成功时该函数返回写入的字节数。如果此函数未被实现，
   当用户进行write()系统调用时，将得到-EINVAL返回值*/

 

2.4. close( )函数

原型：

 int(*release)(struct inode *, struct file*);
 /*关闭*/

 

2.5. 补充说明

1. 在Linux字符设备驱动程序设计中，有3种非常重要的数据结构：struct file、struct inode、struct file_operations。

struct file 代表一个打开的文件。系统中每个打开的文件在内核空间都有一个关联的struct file。它由内核在打开文件时创建, 在文件关闭后释放。其成员loff_t f_pos 表示文件读写位置。

struct inode 用来记录文件的物理上的信息。因此,它和代表打开文件的file结构是不同的。一个文件可以对应多个file结构,但只有一个inode结构。其成员dev_t i_rdev表示设备号。

struct file_operations 一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作。结构中的成员指向驱动中的函数,这些函数实现一个特别的操作, 对于不支持的操作保留为NULL。

2. 在read( )和write( )中的buff 参数是用户空间指针。因此,它不能被内核代码直接引用，因为用户空间指针在内核空间时可能根本是无效的——没有那个地址的映射。因此，内核提供了专门的函数用于访问用户空间的指针：

 unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count);
 unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long count);

    3. 驱动注销

3.1. 删除cdev

在字符设备驱动模块卸载函数中通过cdev_del()函数向系统删除一个cdev，完成字符设备的注销。

/*原型：*/
void cdev_del(struct cdev *);
/*例：*/
cdev_del(&btn_cdev);　

3.2. 释放设备号

在调用cdev_del()函数从系统注销字符设备之后，unregister_chrdev_region()应该被调用以释放原先申请的设备号。

/*原型：*/
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
/*例：*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(major, 0), 1);

四、字符设备驱动程序基础:

4.1 cdev结构体

在Linux2.6 内核中，使用cdev结构体来描述一个字符设备，cdev结构体的定义如下：

 struct cdev {

       struct kobject kobj;

       struct module *owner;  /*通常为THIS_MODULE*/

       struct file_operations *ops; /*在cdev_init()这个函数里面与cdev结构联系起来*/

       struct  list_head list;

       dev_t  dev;  /*设备号*/

       unsigned int count;

 }；

cdev 结构体的dev_t 成员定义了设备号，为32位，其中12位是主设备号，20位是次设备号，我们只需使用二个简单的宏就可以从dev_t 中获取主设备号和次设备号：

MAJOR(dev_t dev)

MINOR(dev_t dev)

相反地，可以通过主次设备号来生成dev_t：

MKDEV(int major,int minor)

4.2 Linux 2.6内核提供一组函数用于操作cdev 结构体：

：void cdev_init(struct cdev*,struct file_operations *);

：struct cdev *cdev_alloc(void);

：int cdev_add(struct cdev *,dev_t,unsigned);

：void cdev_del(struct cdev *);

其中（1）用于初始化cdev结构体，并建立cdev与file_operations 之间的连接。（2）用于动态分配一个cdev结构，（3）向内核注册一个cdev结构，（4）向内核注销一个cdev结构

4.3  Linux 2.6内核分配和释放设备号

在调用cdev_add()函数向系统注册字符设备之前，首先应向系统申请设备号，有二种方法申请设备号，一种是静态申请设备号：

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

另一种是动态申请设备号：

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

其中，静态申请是已知起始设备号的情况，如先使用cat /proc/devices 命令查得哪个设备号未事先使用（不推荐使用静态申请）；动态申请是由系统自动分配，只需设置major = 0即可。

相反地，在调用cdev_del()函数从系统中注销字符设备之后，应该向系统申请释放原先申请的设备号，使用：

7：void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count);

4.4 cdev结构的file_operations结构体

这个结构体是字符设备当中最重要的结构体之一，file_operations 结构体中的成员函数指针是字符设备驱动程序设计的主体内容，这些函数实际上在应用程序进行Linux 的 open()、read()、write()、close()、seek()、ioctl()等系统调用时最终被调用。

 struct file_operations {

 /*拥有该结构的模块计数，一般为THIS_MODULE*/
  struct module *owner;

 /*用于修改文件当前的读写位置*/
  loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

 /*从设备中同步读取数据*/
  ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);

 /*向设备中写数据*/
  ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);

  ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
  ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
  int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);

 /*轮询函数，判断目前是否可以进行非阻塞的读取或写入*/
  unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

 /*执行设备的I/O命令*/
  int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);

  long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
  long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

 /*用于请求将设备内存映射到进程地址空间*/
  int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

 /*打开设备文件*/
  int (*open) (struct inode *, struct file *);
  int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);

 /*关闭设备文件*/
  int (*release) (struct inode *, struct file *);

  int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
  int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
  int (*fasync) (int, struct file *, int);
  int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
  ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
  unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
  int (*check_flags)(int);
  int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
  ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
  ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
  int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
 };

4.5 file结构

file  结构代表一个打开的文件，它的特点是一个文件可以对应多个file结构。它由内核再open时创建，并传递给在该文件上操作的所有函数，直到最后close函数，在文件的所有实例都被关闭之后，内核才释放这个数据结构。

在内核源代码中，指向 struct file 的指针通常比称为filp，file结构有以下几个重要的成员：

 struct file{

 mode_t   fmode; /*文件模式，如FMODE_READ，FMODE_WRITE*/

 ......

 loff_t   f_pos;  /*loff_t 是一个64位的数，需要时，须强制转换为32位*/

 unsigned int f_flags;  /*文件标志，如：O_NONBLOCK*/

 struct  file_operations  *f_op;

 void  *private_data;  /*非常重要，用于存放转换后的设备描述结构指针*/

 .......

 };

4.6 inode 结构

内核用inode 结构在内部表示文件，它是实实在在的表示物理硬件上的某一个文件，且一个文件仅有一个inode与之对应，同样它有二个比较重要的成员：

 struct inode{

 dev_t  i_rdev;            /*设备编号*/

 struct cdev *i_cdev;  /*cdev 是表示字符设备的内核的内部结构*/

 };

 可以从inode中获取主次设备号，使用下面二个宏：

 /*驱动工程师一般不关心这二个宏*/

 unsigned int imajor(struct inode *inode);

 unsigned int iminor(struct inode *inode); 

4.7字符设备驱动模块加载与卸载函数

在字符设备驱动模块加载函数中应该实现设备号的申请和cdev 结构的注册，而在卸载函数中应该实现设备号的释放与cdev结构的注销。

我们一般习惯将cdev内嵌到另外一个设备相关的结构体里面，该设备包含所涉及的cdev、私有数据及信号量等等信息。常见的设备结构体、模块加载函数、模块卸载函数形式如下：

 /*设备结构体*/

 struct  xxx_dev{

       struct   cdev   cdev;

       char *data;

       struct semaphore sem;

       ......

 };

 /*模块加载函数*/

 static int   __init  xxx_init(void)

 {

       .......

       初始化cdev结构;

       申请设备号；

       注册设备号；

        申请分配设备结构体的内存；  /*非必须*/

 }

 /*模块卸载函数*/

 static void  __exit   xxx_exit(void)

 {

        .......

        释放原先申请的设备号；

        释放原先申请的内存；

        注销cdev设备；

 }

4.8字符设备驱动的 file_operations 结构体重成员函数

 /*读设备*/

 ssize_t   xxx_read(struct file *filp,  char __user *buf,  size_t  count,  loff_t *f_pos)

 {

         ......

         使用filp->private_data获取设备结构体指针；

         分析和获取有效的长度；

         /*内核空间到用户空间的数据传递*/

         copy_to_user(void __user *to,  const void *from,  unsigned long count);

         ......

 }

 /*写设备*/

 ssize_t   xxx_write(struct file *filp,  const char  __user *buf,  size_t  count,  loff_t *f_pos)

 {

         ......

         使用filp->private_data获取设备结构体指针；

         分析和获取有效的长度；

         /*用户空间到内核空间的数据传递*/

         copy_from_user(void *to,  const  void   __user *from,  unsigned long count);

         ......

 }

 /*ioctl函数*/

 static int xxx_ioctl(struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg)

 {

       ......

       switch(cmd){

            case  xxx_CMD1:

                         ......

                         break;

            case  xxx_CMD2:

                        .......

                       break;

            default:

                       return -ENOTTY;  /*不能支持的命令*/

       }

       return ;

 }

4.9、字符设备驱动文件操作结构体模板

 struct file_operations xxx_fops = {

       .owner = THIS_MODULE,

       .open = xxx_open,

       .read = xxx_read,

      .write = xxx_write,

      .close = xxx_release,

      .ioctl = xxx_ioctl,

      .lseek = xxx_llseek,

 };

 上面的写法需要注意二点，一：结构体成员之间是以逗号分开的而不是分号，结构体字段结束时最后应加上分号。

五、字符设备驱动小结：

　　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。如图所示为cdev结构体、file_operations和用户空间调用驱动的关系。

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