Linux字符设备驱动

1.字符设备基础

字符设备：指一个字节一个字节进行读写操作的设备，不能随机读取设备中的某一数据，读取数据要按照先后数据。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等。
一般每个字符设备或者块设备都会在/dev目录下对应一个设备文件。Linux用户层程序通过设备文件来使用驱动程序操作字符设备
或块设备。

2.字符设备驱动与用户空间访问该设备的程序三者之间的关系

字符设备是三大类设备（字符设备，块设备，网络设备）中较简单的一类设备，其驱动程序中完成的主要工作是初始化，添加和删除struct cdev结构体，申请和释放设备号，以及填充struct file_operations结构体中断的操作函数，实现struct file_operations结构体中的read(),write(),和ioctl()等函数是驱动设计的主体工作。

3.字符设备模型

1> linux内核中，使用struct cdev来描述一个字符设备

<include/linux/cdev.h>struct cdev{struct kobject kobj; //内嵌的内核对象struct module *owner; //该字符设备所在的内核模块（所有者）的对象指针，一般为THIS_MODULE主要用于模块计数const struct file_operations *ops; //该结构描述了字符设备所能实现的操作集（打开，关闭，读/写...），是极为关键的一个结构体struct list_head list; //用来将已经向内核注册的所有字符设备形成链表dev_t dev; //字符设备的设备号，由主设备号和次设备号构成（如果是一次申请多个设备号，此设备号为第一个）unsigned int count; //隶属于同一主设备号的次设备号的个数
};

对于struct cdev内核提供了一些操作接口：
头文件Linux/cdev.h
动态申请（构造）cdev内存（设备对象）

struct cdev *cdev_alloc(void);
/* 返回值： 成功： cdev首地址失败：NULL */

初始化cdev的成员，并建立cdev和file_operations之间的关联

void cdev_init(struct cdev *p,const struct file_operations *p);
/* 参数:struct cdev *p 被初始化的cdev对象const struct file_operations *fops 字符设备操作方法集 */

注册cdev设备对象（添加到系统字符设备列表中）

int cdev_add(struct cdev *p,dev_t dev,unsigned count);
/* 参数：struct cdev *p 被注册的cdev对象dev_t dev  设备的第一个设备号unsigned  这个设备连续的次设备号数量返回值：成功：0失败：负数（绝对值是错误码） */

将cdev对象从系统中移除（注销)

void cdev_del(struct cdev *p);
/* 参数：struct cdev *p  要移除的cdev对象 */

释放cdev内存

void cdev_put(struct cdev *P);
/* 参数:struct cdev *P 要移除的cdev对象 */

2> 设备号申请/释放

一个字符设备或块设备都有一个主设备号和一个次设备号。主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序，用来反映设备类型。次设备号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备，用来区分同类型的设备。
Linux内核中，设备号用dev_t来描述：

typedef u_long dev_t;  //在32位机中是4个字节，高12位表示主设备号，低20位表示次设备号#define MAJOR(dev)        ( (unsigned int)    ( (dev)    >> MINORBITS) )    //从设备号中提取主设备号
#define MINOR(dev)        ( (unsigned int)    ( (dev)    & MINORMAKS) )   //从设备号中提取次设备号
#define MKDEV(ma,mi)    (((ma) << MINORBITS)  |  (mi))</span>  //将主，次设备号拼凑为设备号
/* 只是拼凑设备号，并未注册到系统中，若要使用需要申请 */

头文件 Linux/fs.h

静态申请设备号

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
/* 参数：dev_t from  要申请的设备号（起始）unsigned count  要申请的设备号数量const char *name  设备名返回值：成功：0失败：负数（绝对值是错误码）*/

动态分配设备号

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);
/* 参数：dev_t *dev - 用于保存分配到的第一个设备号（起始）unsigned baseminor - 起始次设备号unsigned count - 要分配设备号的数量const char *name - 设备名返回值：成功：0失败：负数（绝对值是错误码）*/

释放设备号

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
/* 参数：dev_t from - 要释放的第一个设备号（起始）unsigned count - 要释放的次设备号数量 */

创建设备文件
利用cat /proc/devices查看申请到的设备名，设备号。
*使用mknod手工创建：mknod filename type major minor
*自动创建设备节点:利用udev（mdev）来实现设备文件的自动创建，首先应保证支持udev（mdev），由busybox配置。在驱动初始化代码里调用 class_create为该设备创建一个class，再为每个设备调用device_create创建对应的设备。

3>struct cdev 中的 file_operations *fops成员

Linux下一切皆“文件”，字符设备也是这样，file_operations *fops结构体中的成员函数是字符设备程序设计的主题内容，这些函数实际会在用户层程序进行Linux的open(),close(),write(),read()等系统调用时最终被调用。

标准化：如果做到极致，应用层仅仅需要一套系统调用接口函数。

“文件”的操作接口结构：

struct file_operstions {struct module *owner;/*模块拥有者，一般为 THIS--MODULE */ssize_t (*read) (struct file *,char_user *,size_t,loff_t *);/* 从设备中读取数据，成功时返回读取的字节数，出错返回负值（绝对值是错误码） */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字节数。若为被实现，用户调层用write()时系统将返回 -EINVAL*/int (*mmap) (struct file *,struct vm_area_struct *);/* 将设备内存映射内核空间进程内存中，若未实现，用户层调用 mmap()系统将返回 -ENODEV */long (*unlocked_ioctl)(struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg);/* 提供设备相关控制命令（读写设备参数、状态，控制设备进行读写...）的实现，当调用成功时返回一个非负值 */int (*open) (struct inode *,struct file *); /*打开设备*/int (*release) (struct inode *,struct file *); /*关闭设备*/int (*flush) (struct file *,fl_owner_t id);/*刷新设备*/loff_t (*llseek) (struct file *,loff_t, int);/* 用来修改文件读写位置，并将新位置返回，出错时返回一个负值 */int (*fasync) (int, struct file *,int);　/* 通知设备 FASYNC 标志发生变化 */unsigned int (*poll) (struct file *,struct poll_table_struct *);/* POLL机制，用于询问设备是否可以被非阻塞地立即读写。当询问的条件未被触发时，用户空间进行select()和poll()系统调用将引起进程阻塞 */...
};