linux设备驱动之字符设备驱动

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导读	Linux 字符设备提供连续的数据流，应用程序可以顺序读取，通常不支持随机存取。相反，此类设备支持按字节 / 字符来读写设备。举例来说，键盘，串口，调制解调器都是典型的字符设备。

众所周知，字符设备是 Linux 下最基本，也是最常用到的设备，它是学习 linux 驱动入门最好的选择。计算机的很多东西都是相通的，掌握了其中一块，其它的就触类旁通了。在写驱动之前，必须先搞清楚字符设备驱动的框架大概是怎样的，一定要弄清楚流程，才开始动手，不要一开始就动手写代码。

linux 系统将设备分为 3 类：字符设备、块设备、网络设备。

• 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。

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。

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, 0);
    register_chrdev_region(dev_id, 1, "button");
    } 
else {
    // 动态
    alloc_chardev_region(&dev_id, 0, 1, "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);
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(0), "GPH0_0");
// 配置输入
gpio_direction_input(S5PV210_GPH0(0));

 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);

3.1 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);

4. 字符设备驱动程序基础

4.1 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;
}；

MAJOR(dev_t dev)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：

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 Linux2.6 内核提供一组函数用于操作 cdev 结构体

(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 Linux2.6 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：

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

另一种是动态申请设备号：

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：

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：
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 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

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；}

/* 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 0;
}

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,
};

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