Linux字符设备驱动设计知识点

一、设备号

设备号又分为：主设备号和次设备号。

“主设备号” 用来标示“设备文件”与哪个驱动程序相对应。“次设备号”被驱动程序使用，用来辨别操作的是哪个设备。

小结：主设备号用来辨别设备类型，次设备号用来辨别同一类型设备中的具体哪台设备。

 

1、内核中如何描述设备号？

答：用一个 dev_t 类型的变量来描述；

其实质为一个 unsigned int 32 位的整数，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号。

 

2、如何从 dev_t 中分解出主设备号

答：使用宏   MAJOR (dev_t dev) 来分解

 

3、如何从dev_t 中分解出次设备号

答： 使用宏 MINOR (dev_t dev)

 

4、如何分配主设备号？

两种方法： 静态申请  和 动态分配

4.1  静态申请

4.1.1 方法：

（1） 根据Documentation/devices.txt ，确定一个没有使用的主设备号。

（2） 使用 register_chardev_region 函数注册设备号

 

优点：简单

缺点：容易冲突。

 

4.1.2  register_chardev_region 函数的介绍：

（1）函数原型： int register_chardev_region (dev_t from, unsigned count, const char * name)

（2）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）

（3）参数：

  from：希望申请使用的设备号

  count：希望申请使用设备号数目

  name：设备名（体现在/proc/devices）

 

4.2 动态申请

4.2.1 方法：

使用函数alloc_chardev_region 分配设备号

优点：简单，易于驱动推广

缺点：无法在安装驱动前创设备文件

解决办法：安装驱动后，从 /proc/devices 中查询设备号

 

4.2.2  alloc_chardev_region 函数讲解

（1）函数原型： int alloc_chardev_region （dev_t * dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char * name）;

 （2）功能：请求内核动态分配count个设备号，且次设备号从baseminor开始。

 （3）参数：

  dev ：分配到的设备号

  baseminor：起始次设备号

  count：需要分配的设备号数目

  name：设备名（体现在/proc/devices）

 

5、注销设备号

不论使用何种方法分配设备号，都应该在不使用它们时释放这些设备号；

函数： void unregister_chardev_region(dev_t from, unsigned count)；

功能：释放用from开始的count个设备号

 

二、创建设备文件

2种方法：（1）使用mknod 命令，手工创建  （2）自动创建

 

1、手工创建

（1）mknod方法：mknod  filename  type  major  minor

（2）参数：

  filename：设备文件名

  type：设备文件类型

  major：主设备号

  minor：次设备号

 

三、常见数据结构

 1、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，在文件关闭时释放。

重要成员：

（1） loff_t f_pos  /* 文件读写位置，loff_t 就是一个整形的变量*/

（2）struct file_operations * f_op

 

2、struct inode

用来记录文件的物理上的信息。它和代表打开文件的file结构不同。

一个文件可以对应多个 file 结构，但只有一个 inode 结构。

重要成员：

（1）dev_t i_rdev ：设备号

 

3、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。

小结：它实际上就是一个表，用来把应用程序中的函数调用转换为驱动程序中相应的函数，eg：

[cpp]  view plain copy

1. struct file_operations mem_fops={  
2.    .owner  = THIS_MODULE,  
3.   
4.    .llseek   = mem_seek,  
5.   
6.    .read     = mem_write,  
7.   
8.    .ioctl      = mem_ioctl,  
9.   
10.    .open    = mem_open,  
11.   
12.    .release = mem_release,  
13.   
14. };  

 

四、设备注册

在linux 2.6 内核中，字符设备使用 struct cdev 来描述

1、字符设备的注册可分为3个步骤：

（1）分配 cdev

（2）初始化 cdev

（3）添加 cdev

2、设备分配方法: cdev_alloc

struct cdev 的分配可使用 cdev_alloc函数来完成： struct cdev  * cdev_alloc （void）;

3、设备初始化方法：cdev_init

struct cdev 的初始化使用 cdev_init 函数来完成。

 

void cdev_init (struct cdev * cdev, const struct file_operations * fops)

参数：

cdev ： 待初始化的cdev结构

fops：   设备对应的操作函数集

 

4、设备添加方法：cdev_add

struct cdev 的注册使用 cdev_add 函数来完成。

int cdev_add ( struct cdev *p,dev_t dev , unsigned count)

参数：

p： 待添加到内核的字符设备结构

dev： 设备号

count：添加的设备个数

 

完成上面的3步操作，那么就完了驱动程序的注册，下一步要做的就是实现设备所支持的操作，即：实现 const struct file_operations * fops

 

五、设备操作

1、 int (*open)(struct inode *, struct file *)

（1）在设备文件上的第一个操作，可以不实现这个函数而直接赋值成空。如果该项为NULL，设备的打开操作永远成功。

（2）open方法是驱动程序用来为以后的操作完成初始化准备工作的。在大部分驱动程序中，open完成如下工作：

   ==初始化设备，如设置一些寄存器

   ==标明此设备号

 

2、void (* release) (struct inode *, struct file *)

（1）它对应close这个系统调用，当设备文件被关闭时调用这个操作。与open一样，release也可以没有。

（2）与open相反，就是关闭设备

3、ssize_t (* read) (struct file * filp, char __user * buff, size_t  count, loff_t * offp)；

从设备中读取数据

 

4、ssize_t (* write) (struct file * filp, char __user * buff, size_t  count, loff_t * offp)；

向设备发送数据。

 

读和写小结：

（1）读和写方法都完成类似的工作：从设备中读取数据到用户空间；将数据传递给驱动程序。

（2）对于两个方法， filp 是文件指针，count是请求传输的数据量。buff参数指向数据缓存。offp指出文件当前的访问位置。

 

（3）Read 和 Write 方法的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：用户控件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。

对此，内核提供了专门的函数用于访问用户控件的指针，例如：

int  copy_from_user(void * to,const void __user * from ,int n);

int  copy_to_user(void __user * to, const void * from,int n);

5、unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *)

对应select 系统调用

 

6、Int (* ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int ,unsigned long)

控制设备

 

7、int (* mmap) (struct file *,struct vm_area_struct *)

将设备映射到进程虚拟地址空间中

 

8、off_t (*llseek) (struct file *, loff_t , int)

修改文件的当前读写位置，并将新位置作为返回值