linux設備驅動之字符設備驅動

導讀	Linux字符設備提供連續的數據流，應用程序能夠順序讀取，一般不支持隨機存取。相反，此類設備支持按字節/字符來讀寫設備。舉例來講，鍵盤，串口，調制解調器都是典型的字符設備。

衆所周知，字符設備是Linux下最基本，也是最經常使用到的設備，它是學習linux驅動入門最好的選擇。計算機的不少東西都是相通的，掌握了其中一塊，其它的就舉一反三了。在寫驅動以前，必須先搞清楚字符設備驅動的框架大概是怎樣的，必定要弄清楚流程，纔開始動手，不要一開始就動手寫代碼。

linux系統設備分類

linux系統將設備分爲3類：字符設備、塊設備、網絡設備。

• 字符設備：是指只能一個字節一個字節讀寫的設備，不能隨機讀取設備內存中的某一數據，讀取數據須要按照前後數據。字符設備是面向流的設備，常見的字符設備有鼠標、鍵盤、串口、控制檯和LED設備等。
• 塊設備：是指能夠從設備的任意位置讀取必定長度數據的設備。塊設備包括硬盤、磁盤、U盤和SD卡等。

每個字符設備或塊設備都在/dev目錄下對應一個設備文件。linux用戶程序經過設備文件（或稱設備節點）來使用驅動程序操做字符設備和塊設備。

字符設備、字符設備驅動與用戶空間訪問該設備的程序三者之間的關係

如圖，在Linux內核中使用cdev結構體來描述字符設備，經過其成員dev_t來定義設備號（分爲主、次設備號）以肯定字符設備的惟一性。經過其成員file_operations來定義字符設備驅動提供給VFS的接口函數，如常見的open()、read()、write()等。

在Linux字符設備驅動中，模塊加載函數經過register_chrdev_region( ) 或alloc_chrdev_region( )來靜態或者動態獲取設備號，經過cdev_init( )創建cdev與file_operations之間的鏈接，經過cdev_add( )向系統添加一個cdev以完成註冊。模塊卸載函數經過cdev_del( )來註銷cdev，經過unregister_chrdev_region( )來釋放設備號。

用戶空間訪問該設備的程序經過Linux系統調用，如open( )、read( )、write( )，來「調用」file_operations來定義字符設備驅動提供給VFS的接口函數。

字符設備驅動模型

1.驅動初始化

1.1. 分配cdev

在2.6的內核中使用cdev結構體來描述字符設備，在驅動中分配cdev,主要是分配一個cdev結構體與申請設備號，以按鍵驅動爲例：

/*分配cdev*/
struct cdev btn_cdev;
/*1.1 申請設備號*/
if(major){
    //靜態
    dev_id = MKDEV(major, 0);
    register_chrdev_region(dev_id, 1, "button");
    } 
else {
    //動態
    alloc_chardev_region(&dev_id, 0, 1, "button");
    major = MAJOR(dev_id);
    }

從上面的代碼能夠看出，申請設備號有動靜之分，其實設備號還有主次之分。在Linux中以主設備號用來標識與設備文件相連的驅動程序。次編號被驅動程序用來辨別操做的是哪一個設備。cdev 結構體的 dev_t 成員定義了設備號，爲 32 位，其中高 12 位爲主設備號，低20 位爲次設備號。

設備號的得到與生成：

得到：

主設備號：MAJOR(dev_t dev);
次設備號：MINOR(dev_t dev);

生成：MKDEV(int major,int minor);

設備號申請的動靜之分：

靜態：

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)；
/*功能：申請使用從from開始的count 個設備號(主設備號不變，次設備號增長）*/

靜態申請相對較簡單，可是一旦驅動被普遍使用,這個隨機選定的主設備號可能會致使設備號衝突，而使驅動程序沒法註冊。

動態：

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name)；
/*功能：請求內核動態分配count個設備號，且次設備號從baseminor開始。*/

動態申請簡單，易於驅動推廣，可是沒法在安裝驅動前建立設備文件(由於安裝前尚未分配到主設備號)。

1.2初始化cdev

void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *);
cdev_init()函數用於初始化 cdev 的成員，並創建 cdev 和 file_operations 之間的鏈接。

1.3註冊cdev

int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
cdev_add()函數向系統添加一個 cdev，完成字符設備的註冊。

1.4硬件初始化

硬件初始化主要是硬件資源的申請與配置，以TQ210的按鍵驅動爲例：

/* 1.4 硬件初始化*/
//申請GPIO資源
gpio_request(S5PV210_GPH0(0), "GPH0_0");
//配置輸入
gpio_direction_input(S5PV210_GPH0(0));

 2.實現設備操做

用戶空間的程序以訪問文件的形式訪問字符設備，一般進行open、read、write、close等系統調用。而這些系統調用的最終落實則是file_operations結構體中成員函數，它們是字符設備驅動與內核的接口。以TQ210的按鍵驅動爲例：

/*設備操做集合*/
static struct file_operations btn_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = button_open,
    .release = button_close,
    .read = button_read
};

上面代碼中的button_open、button_close、button_read是要在驅動中本身實現的。file_operations結構體成員函數有不少個，下面就選幾個常見的來展現：

2.1 open()函數

原型：

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

2.2 read()函數

原型：

ssize_t(*read)(struct file *, char __user*, size_t, loff_t*);
/*用來從設備中讀取數據，成功時函數返回讀取的字節數，出錯時返回一個負值*/

2.3 write()函數

原型：

ssize_t(*write)(struct file *, const char__user *, size_t, loff_t*);
/*向設備發送數據，成功時該函數返回寫入的字節數。若是此函數未被實現，
當用戶進行write()系統調用時，將獲得-EINVAL返回值*/

2.4 close()函數

原型：

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

2.5補充說明

1. 在Linux字符設備驅動程序設計中，有3種很是重要的數據結構：struct file、struct inode、struct file_operations。struct file 表明一個打開的文件。系統中每一個打開的文件在內核空間都有一個關聯的struct file。它由內核在打開文件時建立, 在文件關閉後釋放。其成員loff_t f_pos 表示文件讀寫位置。struct inode 用來記錄文件的物理上的信息。所以,它和表明打開文件的file結構是不一樣的。一個文件能夠對應多個file結構,但只有一個inode結構。其成員dev_t i_rdev表示設備號。struct file_operations 一個函數指針的集合，定義能在設備上進行的操做。結構中的成員指向驅動中的函數,這些函數實現一個特別的操做, 對於不支持的操做保留爲NULL。

2. 在read( )和write( )中的buff 參數是用戶空間指針。所以,它不能被內核代碼直接引用，由於用戶空間指針在內核空間時可能根本是無效的——沒有那個地址的映射。所以，內核提供了專門的函數用於訪問用戶空間的指針：

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.驅動註銷

3.1 刪除cdev

在字符設備驅動模塊卸載函數中經過cdev_del()函數向系統刪除一個cdev，完成字符設備的註銷。

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

3.2 釋放設備號
在調用cdev_del()函數從系統註銷字符設備以後，unregister_chrdev_region()應該被調用以釋放原先申請的設備號。

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

4.字符設備驅動程序基礎

4.1 結構體

在Linux2.6 內核中，使用cdev結構體來描述一個字符設備，cdev結構體的定義以下：

struct cdev {
    struct kobject kobj;
    struct module *owner; /*一般爲THIS_MODULE*/
    struct file_operations *ops; /*在cdev_init()這個函數裏面與cdev結構聯繫起來*/
    struct list_head list;
    dev_t dev; /*設備號*/
    unsigned int count;
}；

MAJOR(dev_t dev)cdev 結構體的dev_t 成員定義了設備號，爲32位，其中12位是主設備號，20位是次設備號，咱們只需使用二個簡單的宏就能夠從dev_t 中獲取主設備號和次設備號：

MINOR(dev_t dev)

相反地，能夠經過主次設備號來生成dev_t：

MKDEV(int major,int minor)

4.2 Linux2.6內核提供一組函數用於操做cdev結構體

(1)void cdev_init(struct cdev*,struct file_operations *);
(2)struct cdev *cdev_alloc(void);
(3)int cdev_add(struct cdev *,dev_t,unsigned);
(4)void cdev_del(struct cdev *);

其中（1）用於初始化cdev結構體，並創建cdev與file_operations 之間的鏈接。（2）用於動態分配一個cdev結構，（3）向內核註冊一個cdev結構，（4）向內核註銷一個cdev結構。

4.3 Linux2.6內核分配和釋放設備號

在調用cdev_add()函數向系統註冊字符設備以前，首先應向系統申請設備號，有二種方法申請設備號，一種是靜態申請設備號：

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

另外一種是動態申請設備號：

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

其中，靜態申請是已知起始設備號的狀況，如先使用cat /proc/devices 命令查得哪一個設備號未事先使用（不推薦使用靜態申請）；動態申請是由系統自動分配，只需設置major = 0便可。

相反地，在調用cdev_del()函數從系統中註銷字符設備以後，應該向系統申請釋放原先申請的設備號，使用：

void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count);

4.4 cdev結構的file_operations結構體

這個結構體是字符設備當中最重要的結構體之一，file_operations 結構體中的成員函數指針是字符設備驅動程序設計的主體內容，這些函數實際上在應用程序進行Linux 的 open()、read()、write()、close()、seek()、ioctl()等系統調用時最終被調用。

struct file_operations {
    /*擁有該結構的模塊計數，通常爲THIS_MODULE*/
    struct module *owner;
    /*用於修改文件當前的讀寫位置*/
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    /*從設備中同步讀取數據*/
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);

    /*向設備中寫數據*/
    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);
   
    /*輪詢函數，判斷目前是否能夠進行非阻塞的讀取或寫入*/
    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

    /*執行設備的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);

    /*用於請求將設備內存映射到進程地址空間*/
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
 
    /*打開設備文件*/
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
  
    /*關閉設備文件*/
    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結構

file 結構表明一個打開的文件，它的特色是一個文件能夠對應多個file結構。它由內核再open時建立，並傳遞給在該文件上操做的全部函數，直到最後close函數，在文件的全部實例都被關閉以後，內核才釋放這個數據結構。

在內核源代碼中，指向 struct file 的指針一般比稱爲filp，file結構有如下幾個重要的成員：
內核用inode 結構在內部表示文件，它是實實在在的表示物理硬件上的某一個文件，且一個文件僅有一個inode與之對應，一樣它有二個比較重要的成員：

struct file{
    mode_t fmode; /*文件模式，如FMODE_READ，FMODE_WRITE*/
    ...
    loff_t f_pos; /*loff_t 是一個64位的數，須要時，須強制轉換爲32位*/
    unsigned int f_flags; /*文件標誌，如：O_NONBLOCK*/
    struct file_operations *f_op;
    void *private_data; /*很是重要，用於存放轉換後的設備描述結構指針*/
    ...
};

4.6 inode結構

struct inode{
    dev_t i_rdev; /*設備編號*/
    struct cdev *i_cdev; /*cdev 是表示字符設備的內核的內部結構*/
};

能夠從inode中獲取主次設備號，使用下面二個宏：

/*驅動工程師通常不關心這二個宏*/
unsigned int imajor(struct inode *inode);
unsigned int iminor(struct inode *inode);

4.7 字符設備驅動模塊加載與卸載函數

在字符設備驅動模塊加載函數中應該實現設備號的申請和cdev 結構的註冊，而在卸載函數中應該實現設備號的釋放與cdev結構的註銷。

咱們通常習慣將cdev內嵌到另一個設備相關的結構體裏面，該設備包含所涉及的cdev、私有數據及信號量等等信息。常見的設備結構體、模塊加載函數、模塊卸載函數形式以下：

/*設備結構體*/
struct xxx_dev{
    struct cdev cdev;
    char *data;
    struct semaphore sem;
    ...
};

/*模塊加載函數*/
static int __init xxx_init(void)
{
    ...
    //初始化cdev結構;
    //申請設備號；
    //註冊設備號；
    //申請分配設備結構體的內存；
}

/*模塊卸載函數*/
static void __exit xxx_exit(void)
{
    ...
    //釋放原先申請的設備號；
    //釋放原先申請的內存；
    //註銷cdev設備；
}

4.8 字符設備驅動的file_operations結構體成員函數

/*讀設備*/
ssize_t xxx_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
    /*使用filp->private_data獲取設備結構體指針；*/
    /*分析和獲取有效的長度；*/
    /*內核空間到用戶空間的數據傳遞*/
    copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long count);
}

/*寫設備*/
ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
    /*使用filp->private_data獲取設備結構體指針；*/
    /*分析和獲取有效的長度；*/ 
    /*用戶空間到內核空間的數據傳遞*/
    copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count);
}

/*ioctl函數*/
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 0;
}

4.9 字符設備驅動文件操做結構體模板

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,
};

原文來自：http://blog.jobbole.com/86531/

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