【Linux】驱动_2_字符驱动

1. Linux设备分类

• 字符设备: 指应用程序按字节/字符来读写数据的设备。通常为传真、虚拟终端和串口调制解调器、键盘之类设备提供流通信服务，通常不支持随机存取数据。字符设备在实现时大多不使用缓存器。系统直接从设备读/写每一个字符。
• 块设备: 通常支持随机存取和寻址，并使用缓存器。操作系统为输入输出分配了缓存以存储一块数据。当程序向设备发送读或写数据的请求时，系统把数据中的每一个字符存储在适当的缓存中。当缓存填满时，会采取适当的操作（把数据传走），而后系统清空缓存。与字符设备不同的是，是否支持随机存储。字符型是流形式，逐一存储。典型的块设备有硬盘、 SD卡、闪存等，应用程序可以寻址磁盘上的任何位置，并由此读取数据。此外，数据的读写只能以块的倍数进行。
• 网络设备: 是一种特殊设备，它并不存在于/dev 下面，主要用于网络数据的收发。

Linux 内核中处处体现面向对象的设计思想，为了统一形形色色的设备， Linux 系统将设备抽象为 struct cdev, struct block_device,struct net_devce 三个对象，具体的设备都可以包含着三种对象从而继承和三种对象属性和操作，并通过各自的对象添加到相应的驱动模型中，从而进行统一的管理和操作

2. 字符设备抽象

Linux 内核将字符设备抽象成一个数据结构 (struct cdev), 字符设备对象cdev 记录了字符设备的相关信息（设备号、内核对象），字符设备的打开、读写、关闭等操作接口（file_operations），在我们想要添加一个字符设备时，就是将这个对象注册到内核中，通过创建一个文件（设备节点）绑定对象的 cdev，当我们对这个文件进行读写操作时，就可以通过虚拟文件系统，在内核中找到这个对象及其操作接口，从而控制设备。

• 硬件层，通过查看硬件的原理图、芯片的数据手册，确定底层需要配置的寄存器，这类似于裸机开发。将对底层寄存器的配置，读写操作放在文件操作接口里面，也就是实现file_operations 结构体。
• 驱动层，将文件操作接口注册到内核，内核通过内部散列表来登记记录主次设备号。在文件系统层，新建一个文件绑定该文件操作接口，应用程序通过操作指定文件的文件操作接口来设置底层寄存器

3. 相关概念及数据结构

linux 中使用设备编号来表示设备，主设备号区分设备类别，次设备号标识具体的设备。cdev 结构体被内核用来记录设备号，在使用设备时通常会打开设备节点，通过设备节点的 inode 结构体、 file 结构体最终找到 file_operations 结构体，并从 file_operations 结构体中得到操作设备的具体方法

3.1 设备号

对于字符的访问是通过文件系统的名称进行的，这些名称被称为特殊文件、设备文件， Linux 根目录下有/dev 这个文件夹，专门用来存放设备中的驱动程序，使用 ls -l /dev以列表的形式列出系统中的所有设备。其中，每一行表示一个设备，每一行的第一个字符表示设备的类型。
如图：’ c’用来标识字符设备，’ b’用来标识块设备。如 autofs 是一个字符设备 c, 它的主设备号是 10，次设备号是 235； loop0 是一个块设备，它的主设备号是 7，次所备案为 0，同时可以看到 loop0-loop3 共用一个主设备号，次设备号由 0 开始递增 ,一般来说，主设备号指向设备的驱动程序，次设备号指向某个具体的设备。如图， I2C-0， I2C-1属于不同设备但是共用一套驱动程序

• 内核中设备编号的含义

  typedef u32 __kernel_dev_t;
  typedef __kernel_dev_t dev_t;		/* 表示设备号 */
  
  #define MINORBITS 20
  #define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)
  #define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
  #define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
  #define MKDEV