字符设备驱动简介

1.字符设备文件

通过字符设备文件，应用程序可以使用相应的字符设备驱动程序来控制字符设备。创建字符设备文件的方法：

• mknod /dev/文件名 c 主设备号 次设备号
• 使用函数在驱动程序中创建

2.设备描述结构

字符设备在内核中使用struct cdev来描述。

struct cdev {
struct kobject kobj;
struct module *owner;
const struct file_operations *ops; //设备操作集
struct list_head list;
dev_t dev; //设备号
unsigned int count; //设备数
}

2.1设备号的操作

Linux内核中使用dev_t类型来定义设备号，dev_t这种类型其实质为32位的unsigned int，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号.

• 通过主设备号，次设备号，组合成dev_t类型

dev_t dev = MKDEV(主设备号，次设备号)

• 从dev_t中分解出主设备号

主设备号 = MAJOR(dev_t dev)

• 从dev_t中分解出次设备号

次设备号=MINOR(dev_t dev)

2.2设备号的分配

2.2.1静态申请

通过函数register_chrdev_region向内核申请使用。
缺点：如果申请使用的设备号已经被内核中的其他驱动使用了，则申请失败。

2.2.2动态分配

使用alloc_chrdev_region由内核分配一个可用的主设备号。
优点：因为内核知道哪些号已经被使用了，所以不会导致分配到已经被使用的号。

2.3设备号的注销

在驱动退出时，使用unregister_chrdev_region函数释放设备号。

3.操作函数集

struct file_operations {
        //它是一个指向拥有这个结构的模块的指针. 这个成员用来在它的操作还在被使用时阻止模块被卸载. 几乎所有时间中, 它被简单初始化为 THIS_MODULE
        struct module *owner;
        loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
        ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
        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);
        ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
        ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
        int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
        unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
        long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
        long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
        int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
        int (*open) (struct inode *, struct file *);
        int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
        int (*release) (struct inode *, struct file *);
        int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, 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 **);
        long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
                          loff_t len);
        int (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
};

这里面的函数在驱动中不用全部实现，不支持的操作留置为NULL即可。eg.

struct file_operations dev_fops = {
.llseek = NULL,
.read = dev_read,
.write = dev_write,
.ioctl = dev_ioctl,
.open = dev_open,
.release = dev_release,
};

4.描述结构

4.1分配

cdev变量的定义可以采用静态和动态两种办法
·静态分配struct cdev mdev;
·动态分配struct cdev *pdev = cdev_alloc();

4.2初始化

struct cdev的初始化使用cdev_init函数来完成。
cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
参数：
cdev: 待初始化的cdev结构
fops: 设备对应的操作函数集

4.3注册

字符设备的注册使用cdev_add函数来完成。
cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
参数：
p: 待添加到内核的字符设备结构
dev: 设备号
count: 该类设备的设备个数

5.设备操作

5.1 open()

open设备方法是驱动程序用来为以后的操作，完成初始化准备工作的。在大部分驱动程序中，open完成标明次设备号、启动设备两个工作。
原型：

int (*open) (struct inode *, struct file *)

5.2 release()

设备方法有时也称为close
原型：

int (*release) (struct inode *, struct file *)

5.3 read()

read设备方法通常完成2件事情：

• 从设备中读取数据(属于硬件访问类操作）
• 将读取到的数据返回给应用程序
  原型：

ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)
参数分析：
filp：与字符设备文件关联的file结构指针, 由内核创建。
buff : 从设备读取到的数据，需要保存到的位置。由read系统调用提供该参数。
count: 请求传输的数据量，由read系统调用提供该参数。
offp: 文件的读写位置，由内核从file结构中取出后，传递进来。

5.4 write()

原型：

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)

5.5 补充

每一个存在于文件系统里面的文件都会关联一个inode 结构，该结构主要用来记录文件物理上的信息。因此, 它和代表打开文件的file结构是不同的。一个文件没有被打开时不会关联file结构，但是却会关联一个inode 结构。
重要成员：
dev_t i_rdev：设备号

6.驱动注销

从内核中卸载驱动程序的时候，需要使用cdev_del函数来完成字符设备的注销。
原型：

void cdev_del(struct cdev *);