linux字符設備驅動--基本知識介紹
一、設備驅動的分類
1.字符設備
字符設備是指那些能一個字節一個字節讀取數據的設備，如LED燈、鍵盤、鼠標等。字符設備一般需要在驅動層實現open()、close()、read()、write()、ioctl()等函數。
2.塊設備
塊設備與字符設備類似，一般是像磁盤一樣的設備。在塊設備中還可以容納文件系統，並存儲大量的信息。在linux系統中，進行塊設備讀寫時，每次只能傳輸一個或者多個塊。linux也可以讓應用程序像訪問字符設備一樣訪問塊設備，一次只讀取一個字節。
3.網絡設備
網絡設備主要負責主機之間的數據交換，與字符設備和塊設備完全不同，網絡設備主要是面向數據包的接收和發送而設計的。網絡設備沒有實現類似塊設備和字符設備的read()、write()、ioctl()等函數，但是實現了一種套接字接口，任何網絡數據傳輸都可以通過套接字來完成。
二、基礎知識介紹
1.直接將模塊編譯進內核(主要修改兩個文件：Kconfig Makefile)
1.1將編寫好的模塊程序復制到內核代碼中(一般根據驅動內容來選擇合適的路徑)
1.2進入到該路徑,打開Kconfig文件：vi Kconfig
說明：Kconfig文件描述了所屬目錄源文件相關的內核配置菜單
1.3添加：config HELLO_WORLD
bool "helloworld"
則在menuconfig菜單中出現新的目錄:helloworld
1.4修改該目錄下的Makefile文件：obj -$(CONFIG_HELLO_WORLD) += hello.o
1.5編譯內核
三、字符設備驅動程序設計
1.概念介紹
1.1主次設備號
主設備號用來標識與設備文件相連的驅動程序；次設備號被驅動程序用來辨別操作的是哪個設備。
linux內核中通過dev_t類型描述主次設備號，dev_t其實質為unsigned int 32位整數，高12位為主設備號，低20位為次設備號。通過宏MAJOR(dev_t dev)獲得主設備號，MINOR(dev_t dev)獲得次設備號。
1.2分配主設備號
靜態申請：確定一個系統沒有使用的設備號，使用register_chrdev_region函數註冊。但是該方式在驅動較多的情況下，很容易導致設備號沖突，而使驅動程序無法註冊。
動態分配：通過linux內核自動分配一個未使用的主設備號。使用alloc_chrdev_region()分配設備號。但是該方式無法在安裝驅動前創建設備文件，因為安裝前驅動程序還沒有分配到主設備號。
1.3創建設備文件
使用mknod命令手動創建
mknod用法：mknod filename type major minor
filename:設備文件名
type:設備文件類型(字符設備：c 塊設備：b)
major:主設備號
minor:次設備號
自動創建：
2.重要結構
2.1 struct file
代表一個打開的文件，系統中每個打開的文件在內核空間都有一個關聯的struct file，它是由內核在打開文件時創建，在文件關閉時釋放。
重要成員：loff_t f_pos /*文件讀寫位置*/
struct file_operations *f_op
2.2 struct inode
用來記錄文件的物理上的信息，因此它和代表打開文件的file結構是不同的，一個文件可以對應多個file結構，但只有一個inode結構。
重要成員：dev_t i_rdev:設備號
2.3 struct file_operations
一個函數指針的集合，定義能在設備上進行的操作。結構中的成員指向驅動中的函數，這些函數實現一個特別的操作，對於不支持的操作保留為NULL。
3.應用程序訪問驅動程序
當應用程序使用read函數時，傳入要操作的文件file，系統會調用vfs_read函數，根據file去內核中查找相應的file_operations中指定的read函數，vfs_read函數(在read_write.c中)代碼如下：
1 ssize_t vfs_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos) 2 { 3 ssize_t ret; 4 5 if (!(file->f_mode & FMODE_READ)) 6 return -EBADF; 7 if (!file->f_op || (!file->f_op->read && !file->f_op->aio_read)) 8 return -EINVAL; 9 if (unlikely(!access_ok(VERIFY_WRITE, buf, count))) 10 return -EFAULT; 11 12 ret = rw_verify_area(READ, file, pos, count); 13 if (ret >= 0) { 14 count = ret; 15 if (file->f_op->read) 16 ret = file->f_op->read(file, buf, count, pos); 17 else 18 ret = do_sync_read(file, buf, count, pos); 19 if (ret > 0) { 20 fsnotify_access(file); 21 add_rchar(current, ret); 22 } 23 inc_syscr(current); 24 } 25 26 return ret; 27 }View Code
4.設備註冊
在linux2.6的內核中，字符設備使用struct cdev來描述。
字符設備的註冊過程可分為三步：1.分配cdev;2.初始化cdev;3.添加cdev;
四、函數解析
1.分配主設備號相關函數
int register_chrdev_region(dev_t from,unsigned count,coust char *name)
功能說明：申請使用從from開始的count個設備號(主設備號不變，次設備號增加)
參數：from:希望申請使用的設備號
count:希望申請使用的設備號數目
name:設備號(體現在/proc/devices)
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned baseminor,unsigned count,const char *name)
功能說明：請求內核動態分配count個設備號，且次設備號從baseminor開始。
參數：dev:分配完返回的設備號
baseminor:起始次設備號
count:需要分配的設備號數目
name:設備名(體現在/proc/devices)
void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count)
功能說明：釋放從from開始的count個設備號
參數：from:需要釋放的設備號
count:希望釋放的設備號數目
2.設備註冊相關函數
struct cdev *cdev_alloc(void)
功能說明：分配cdev
返回值：分配的cdev指針
void cdev_init(struct cdev *cdev,const struct file_operations *fops)
功能說明：初始化字符設備
參數：cdev:待初始化的cdev結構
fops:設備對應的操作函數集
int cdev_add(struct cdev *p,dev_t dev,unsigned count)
功能說明：添加字符設備
參數：p:待添加到內核的字符設備結構
dev:設備號
count:添加的設備個數
int cdev_del(struct cdev *p)
功能說明：設備註銷
參數：p:要註銷的字符設備結構
3.設備操作函數
int (*open)(struct inode *,struct file *)
功能說明：在設備文件上的第一個操作，並不要求驅動程序一定要實現這個方法。如果該項為NULL,設備的打開操作永遠成功。系統中通過fs/open.c中的do_sys_open函數實現。
void (*release)(struct inode *,struct file *)
功能說明：當設備文件被關閉時調用這個操作，與open相同，release也可以沒有。
ssize_t (*read)(struct file *,char __user *,size_t,loff_t *)
功能說明：從設備中讀取數據。
ssize_t (*write)(struct file *,const char __user *,size_t,loff_t *)
功能說明：向設備發送數據。
unsigned int (*poll)(struct file *,struct poll_table_struct *)
功能說明：對應select系統調用。
int (*ioctl)(struct inode *,struct file *,unsigned int,unsigned long)
功能說明：控制設備。
int (*mmap)(struct file *,struct vm_area_struct *)
功能說明：將設備映射到進程虛擬地址空間中。
off_t (*Ilseek)(struct file *,loff_t,int)
功能說明：修改文件的當前讀寫位置，並將新位置作為返回值。
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