第三章——字符驱动设备

3.1、字符设备驱动基础

 设备文件通常位于/dev目录下：

crw-rw-rw-  1 root      root           5,   0 2020-04-17 18:51 tty
crw-rw----  1 radio     radio        237,   3 2020-04-17 18:51 ttyC0
crw-rw----  1 radio     radio        237,   7 2020-04-17 18:51 ttyC1

 其中c表示字符设备。在现在的Linux系统中，设备文件通常是自动创建的，但我们还是可以通过mknod命令手动创建一个设备文件：

# mknod /dev/vser0 c 256 0
# ls -li /dev/vser0
46347 crw-rw---- 1 root root 256,   0 2020-04-19 17:36 /dev/vser0

 mknod命令创建了一个节点，在Linux中一个节点代表一个文件，创建一个文件的最主要的工作就是分配一个新的节点（node），包含节点号（46347唯一）的分配。以ext2文件系统为例：

/*fs/ext2/ext2.h*/
/*
 * Structure of an inode on the disk
 */
struct ext2_inode {
    __le16  i_mode;	/* File mode */
    __le16  i_uid;	/* Low 16 bits of Owner Uid */
    __le32  i_size;	/* Size in bytes */
    __le32  i_atime;	/* Access time */
    __le32  i_ctime;	/* Creation time */
    __le32  i_mtime;	/* Modification time */
......
    __le32  i_block[EXT2_N_BLOCKS];/* Pointers to blocks */
......
};

 inode成员结构在上面的结构里做了表述，在/fs/ext2/inode.c中：

static int __ext2_write_inode(struct inode *inode, int do_sync) {
    struct ext2_inode *raw_inode = ext2_get_inode(sb, ino, &bh); //获得一个要写入磁盘的ext2_inode结构，并初始化了部分成员。
}

 同理，目录本身也是一个文件，在fs/ext2/ext2.h也有struct ext2_dir_entry结构来描述目录。
 mknod的执行，将文件名、文件类型和主、次设备号等信息保存在了磁盘上。

3.2、如何打开一个文件？

1. 一个进程（task_struct）的成员（task_struct->file_struct）该结构中有一个指针数组fd_array，用于维护打开文件的信息。数组fd_array的每一个元素是指向file结构的一个指针。
2. open系统调用在内核中对应函数为sys_open，sys_open调用do_sys_open。
3. do_sys_open调用getname函数将文件名从用户空间复制到内核空间，再调用get_unused_fd_flags获取一个没用过的文件描述符fd。
4. 调用do_filp_open来构造一个file结构并初始化里面的成员，最重要的是将f_op成员指向驱动操作方法file_operations。通过file_operations的open函数指针可以调用驱动的打开操作。
5. do_filp_open调用成功后，调用fd_install函数，该函数将得到的文件描述符作为访问fd_array数组的下标，让下标对应的元素指向新构造的file结构。
6. 最后系统调用返回到应用层，将刚才的数组下标作为打开文件的文件描述符返回。

 对字符设备来说，设备号、cdev和file_operations至关重要，内核找到路径名对应的inode后，要和驱动建立连接，首先要做的就是根据inode中的设备号找到cdev，然后根据cdev找到file_operations集合。

3.3、字符驱动设备框架

3.3.1、注册设备号

#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>

#define VSER_MAJOR 256
#define VSER_MINOR 0
#define VSER_DEV_CNT 1
#define VSER_DEV_NAME "vser"

//加载模块
static int __init vser_init(void) {
    int ret;
    dev_t dev;
    dev = MKDEV(VSER_MAJOR, VSER_MINOR); //将主次设备号合并，主设备号占12位，次设备号占20位
    ret = register_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT, VSER_DEV_NAME);
    if(ret)
	goto reg_err;
    return 0;
	
reg_err:
    return ret;
}

//卸载模块
static void __exit vser_exit(void) {
    printk("vser_exit
");
    dev_t dev;
    dev = MKDEV(VSER_MAJOR, VSER_MINOR);
    unregister_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT);
}

module_init(vser_init);
module_exit(vser_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

 框架可在ubuntu下测试

# make
# make modules_install
# depmod
# modprobe vser
# cat proc/devices

 上面描述的方法为静态注册设备号，还有一种动态注册设备号的函数：

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

3.3.2、构造并添加cdev结构体

@@ -8,5 +8,5 @@
#define VSER_DEV_NAME "vser"

+   static struct cdev vsdev;
+   static struct file_operations vser_ops = {
+       .owner = THIS_MODULE,
+   
+   }

@@ -11,5 +11,5 @@
static int __init vser_init(void) {
    if(ret)
	goto reg_err;
+   cdev_init(&vsdev, &vser_ops); //cdev初始化
+   vsdev.owner = THIS_MODULE;
+   ret = cdev_add(&vsdev, dev, VSER_DEV_CNT);
+   if(ret)
+	goto add_err;
    return 0;

+add err:
+   unregister_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT);
reg_err:
    return ret;
}

@@ -27,5 +27,5 @@
static void __exit vser_exit(void) {

    dev = MKDEV(VSER_MAJOR, VSER_MINOR);
+   cdev_del(&vsdev);
    unregister_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT);

}

 同理，cdev对象是静态定义的，也可以进行动态分配，对应的函数如下：

struct cdev *cdev_alloc(void);
//成功返回动态分配的cdev对象地址，失败返回NULL