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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,
};
