字符设备驱动框架

Linux中设备分类：按照对设备的访问方式可分为以下三类：1.字符设备(char device)(1)例如：键盘、鼠标、串口、帧缓存等；(2)通过/dev/下的设备节点访问；以字节为单位访问；(3)一般只支持顺序访问；(特例：帧缓存framebuffer)(4)无缓冲。

2.块设备(block device)(1)例如：磁盘、光驱、flash等；(2)以固定大小为单位访问：磁盘以扇区(512B)为单位；flash以页为单位。

(3)支持随机访问；(4)有缓冲(减少磁盘IO，提高效率)。

3.网络设备(network device)(1)无设备文件(节点)；(2)应用层通过socket接口访问网络设备(报文发送和接收的媒介)。

设备驱动在内核中的结构：1.VFS虚拟文件系统作用：向应用层提供一致的文件访问接口，正是由于VFS的存在，才可以将设备以文件的方式访问。

2.虚拟文件系统，存在于内存中，不在磁盘上，掉电丢失。

例如：/proc、/sys、/tmp。

设备号：1.作用：唯一地标识一个设备；2.类型：dev_t devno;即32位无符号整型；3.组成：(1)主设备号：用于区分不同类型(按功能划分)的设备；(2)此设备号：用于区分相同类型的不同设备。

注意：相同类型的设备(主设备号相同)可以使用同一个驱动。

4.构建设备号：int major = 250; int minor = 0;(1)dev_t devno = (major << 20) | minor;不建议使用；(2)利用宏来构建：dev_t devno = MKDEV (major, minor);注意：我们可以通过文件$(srctree)/documentation/device.txt来查看内核对设备号的分配情况。

(1)该文本中的有对应设备文件的设备号是已经被申请过的，我们不可以重复使用(申请)；(2)从中可以看出，我们在编写驱动程序时可以使用的主设备号范围为240~254，为了方便记忆，通常使用250作为主设备号。

字符设备驱动框架：驱动：作用，为应用层提供访问设备的接口(对设备发的各种操作)。

一、申请设备号1.构建设备号：dev_t devno = MKDEV (major, minor);2.申请设备号：(1)动态申请：alloc_chrdev_region；(2)静态申请： register_chrdev_region。

(3)静态申请设备号的优缺点：优点：可以提前创建设备文件；缺点：有可能会发成冲突，导致申请失败。

(4)register_chrdev_region函数详解：注意：①最后一个参数是设备名称。

且在/proc/devices下会有关于当前系统已经注册成功的设备信息；②申请设备号应在加载函数中实现；同时，在卸载函数中我们也要调用unregister_chrdev_region来释放设备号。

二、实现操作集合struct file_operations {……}struct file_operations {struct module *owner;loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*write) (struct file *,const char __user *,size_t,loff_t *);unsigned int (*poll) (struct fiel *, poll_table *);int (*fasync) (int, struct file *, int);long (*unlock_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);int (*open) (struct inode *, struct file *);int (*release) (struct inode *, struct file *);int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);……};除owner成员外，其他成员均是对文件进行相关操作的函数指针。

1.对设备的大多数操作函数都有参数struct file *filp；2.在起始阶段我们可以先定义一个空的操作集合：struct file_operations { .owner = THIS_MODULE };注意：(1)可以看出宏THIS_MODULE代表结构体struct module的起始地址；(2)我们可以通过“.<struct_member_name> = <……>,”语法来给结构体指定成员赋值。

三、注册字符设备：1.通过结构体struct cdev将设备号devno和操作集合file_operations关联起来；2.并将cdev结构体加入到内核维护的cdev链表中。

(计算机系统支持很多字符设备，内核会维护一个cdev链表，这样我们就可以通过设备号找到对应的操作集合了)3.cdev结构体的定义如下：4.我们通过调用内核函数cdev_init和cdev_add来完成字符设备的注册。

注意：注册字符设备应在加载函数中实现；同时，在卸载函数中，我们要调用cdev_del函数来注销字符设备。

且注销字符设备应在释放设备号之前进行。

应用层如何访问设备：1.在Linux中一切皆文件；2.因为VFS(向应用层提供一致的文件访问接口)，应用层也可以将设备当做文件来访问；3.应用层要想访问设备，首先要创建设备节点：命令：mknod <device_name> c/b <major> <minor>注意：(1)mknod /dev/hello c 250 0(2)mknod /dev/hello c 250 1 错误；(3)mknod /dev/hello1 c 250 0 正确，即可以有多个设备节点指向同一个设备。

操作集合打开open：1.统计计数，检查错误；(一个设备可以被多个进程打开)2.申请资源：(1)在xxx_open()函数中也可以申请资源；(2)若在open中申请资源，则对应要在release中释放资源；(3)若在加载函数中申请资源，则对应要在卸载函数中释放资源。

3.识别次设备号。

(在一个驱动识别多个设备中有应用)4.在应用层调用open函数打开设备的实现过程：(1)int fd = open (“/dev/hello”, O_RDWR);(2)sys_open();系统调用(3)vfs_open();虚拟文件系统提供的操作接口注意：在vfs_open()函数执行时，会在内存中创建两个结构体：①struct inode { … dev_t i_rdev; … struct cdev *i_cdev;…}记录所打开文件的静态信息；是将磁盘上的inode节点信息读过来的。

②struct file {……struct file *f_op;……}记录所打开文件的动态信息：包括打开方式、当前读写位置、用户信息等。

(4)xxx_open(struct inode *, struct file *);注意：①应用层的文件描述符fd与内核中的struct file结构体是一一对应的，即每打开一个设备文件，就会在内存中创建一个struct file类型的结构体变量。

每个进程都维护有一个文件描述符表：fd与structfile的对应关系。

②与xxx_open()函数相对应的是xxx_release()函数。

(1)file结构体：(文件的静态属性)struct file{……const struct file_operations *f_op;//操作集合结构体指针unsigned int f_flags;//文件打开方式：如O_NONBLOCKloff_t f_ops;//当前读写位置void *private_data;//文件私有数据，通常用来存放设备结构体的地址……};应用：①在多个同类型的设备共用一个驱动程序时：为了在驱动中识别不同的设备，可以将设备结构体的地址保存到file结构体的私有成员中；②利用file结构体的f_flags成员，判断进程是以阻塞还是非阻塞方式访问文件。

(2)inode结构体：(文件的动态信息)struct inode{umode_t i_mode;//inode的权限uid_t i_uid;//inode拥有者的idgid_t i_gid;//inode所属的组iddev_t i_rdev;//设备号struct timespec i_atime;//inode最近一次的存取时间struct timespec i_mtime;//inode最近一次的修改时间struct timespec i_ctime;//inode的产生时间union {//若是块设备，为其对应的block_device结构体指针struct block_device *i_bdev;struct cdev *i_cdev;//若是字符设备，为其对应的cdev结构体指针};……};读read：相应地，read()--->sys_read()--->vfs_read()-->xxx_read()-->copy_to_user。

APP：ssize_t read (int fd, void *buf, size_t count);driver：ssize_t xxx_read (struct file *,char __user *,size_t,loff_t *);读(写)操作在内核空间和用户空间会发生数据交互。

在xxx_read(xxx_write)函数中我们通过调用内核函数：copy_to_user(cpy_from_user)将数据返回给用户buffer(将用户数据读到本地buffer)。

1.read()函数：(1)成功：返回实际读到的字节数；(2)失败：返回-1并设置errno(非负)。

注意：errno就是通过将xxx_read()函数的失败返回值取绝对值得到的。

2.xxx_read()函数：(1)成功：返回实际读到的字节数；(2)失败：返回负的错误码-EFAULT。