linux设备驱动程序之简单字符设备驱动 linux, 控制台, 程序, 键盘, 网络

yuyang911220

一、linux系统将设备分为3类：字符设备、块设备、网络设备。使用驱动程序：

1、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。
2、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。

二、字符设备驱动程序基础:
1、主设备号和次设备号（二者一起为设备号）：
　　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，2.6.28中定义如下：
　　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12位表示次设备号。

可以使用下列宏从dev_t中获得主次设备号： 　　　　　　　　　　　　　　　　　　也可以使用下列宏通过主次设备号生成dev_t:
MAJOR(dev_t dev);　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 MKDEV(int major,int minor);
MINOR(dev_t dev);
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2、分配设备号（两种方法）：
（1）静态申请：
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)；
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（2）动态分配：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)；
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注销设备号：
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)；

创建设备文件：
利用cat /proc/devices查看申请到的设备名，设备号。
（1）使用mknod手工创建：mknod filename type major minor
（2）自动创建；
　　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、字符设备驱动程序重要的数据结构：
（1）struct file：代表一个打开的文件描述符，系统中每一个打开的文件在内核中都有一个关联的struct file。它由内核在open时创建，并传递给在文件上操作的任何函数，直到最后关闭。当文件的所有实例都关闭之后，内核释放这个数据结构。
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（2）struct inode:用来记录文件的物理信息。它和代表打开的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。inode一般作为file_operations结构中函数的参数传递过来。
　　inode译成中文就是索引节点。每个存储设备或存储设备的分区（存储设备是硬盘、软盘、U盘 ... ... ）被格式化为文件系统后，应该有两部份，一部份是inode，另一部份是Block，Block是用来存储数据用的。而inode呢，就是用来存储这些数据的信息，这些信息包括文件大小、属主、归属的用户组、读写权限等。inode为每个文件进行信息索引，所以就有了inode的数值。操作系统根据指令，能通过inode值最快的找到相对应的文件。
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（3）struct file_operations
本部分来源于：http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=20729583&do=blog&id=1884550，感谢chinahhucai的分享。
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三、字符设备驱动程序设计：
1.设备注册：
在linux2.6内核中，字符设备使用struct cdev来描述；

struct cdev
{
  struct kobject kobj;//内嵌的kobject对象
  struct module *owner;//所属模块
  struct file_operations *ops;//文件操作结构体
  struct list_head list;
  dev_t dev;//设备号,长度为32位，其中高12为主设备号，低20位为此设备号
  unsigned int count;
};

字符设备的注册分为三个步骤：
（1）分配cdev: struct cdev *cdev_alloc(void);
（2）初始化cdev： void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)；
（3）添加cdev： int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
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2.设备操作的实现：file_operations函数集的实现（要明确某个函数什么时候被调用？调用来做什么操作？）
特别注意：驱动程序应用程序的数据交换:
　　驱动程序和应用程序的数据交换是非常重要的。file_operations中的read()和write()函数，就是用来在驱动程序和应用程序间交换数据的。通过数据交换，驱动程序和应用程序可以彼此了解对方的情况。但是驱动程序和应用程序属于不同的地址空间。驱动程序不能直接访问应用程序的地址空间；同样应用程序也不能直接访问驱动程序的地址空间，否则会破坏彼此空间中的数据，从而造成系统崩溃，或者数据损坏。安全的方法是使用内核提供的专用函数，完成数据在应用程序空间和驱动程序空间的交换。这些函数对用户程序传过来的指针进行了严格的检查和必要的转换，从而保证用户程序与驱动程序交换数据的安全性。这些函数有：
unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n);
unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n);
put_user(local,user);
get_user(local,user);

3.设备注销：void cdev_del(struct cdev *p)；


四、字符设备驱动小结：
　　字符设备是3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cdev结构体，申请和释放设备号，以及填充file_operation结构体中操作函数，并实现file_operations结构体中的read()、write()、ioctl()等重要函数。如图所示为cdev结构体、file_operations和用户空间调用驱动的关系。