本文详细介绍Linux字符设备驱动的实现原理，包括设备号的申请与释放、cdev结构体的使用、file_operations结构体的填充等内容。
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：
- 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。
- 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、字符设备驱动与用户空间访问该设备的程序三者之间的关系。
如图，在Linux内核中使用cdev结构体来描述字符设备，通过其成员dev_t来定义设备号（分为主、次设备号）以确定字符设备的唯一性。通过其成员file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数，如常见的open()、read()、write()等。
在Linux字符设备驱动中，模块加载函数通过register_chrdev_region( ) 或alloc_chrdev_region( )来静态或者动态获取设备号，通过cdev_init( )建立cdev与file_operations之间的连接，通过cdev_add( )向系统添加一个cdev以完成注册。模块卸载函数通过cdev_del( )来注销cdev，通过unregister_chrdev_region( )来释放设备号。
用户空间访问该设备的程序通过Linux系统调用，如open( )、read( )、write( )，来“调用”file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数。
三、字符设备驱动模型
1. 驱动初始化
1.1. 分配cdev
在2.6的内核中使用cdev结构体来描述字符设备，在驱动中分配cdev,主要是分配一个cdev结构体与申请设备号，以按键驱动为例：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 | 1 /*……*/ 2 /* 分配cdev*/ 3 struct cdev btn_cdev; 4 /*……*/ 5 /* 1.1 申请设备号*/ 6 if(major){ 7 //静态 8 dev_id = MKDEV(major, 0); 9 register_chrdev_region(dev_id, 1, "button"); 10 } else { 11 //动态 12 alloc_chardev_region(&dev_id, 0, 1, "button"); 13 major = MAJOR(dev_id); 14 } 15 /*……*/ |
从上面的代码可以看出，申请设备号有动静之分，其实设备号还有主次之分。
在Linux中以主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序。次编号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备。cdev 结构体的 dev_t 成员定义了设备号，为 32 位，其中高 12 位为主设备号，低20 位为次设备号。
设备号的获得与生成：
获得：主设备号：MAJOR(dev_t dev);
次设备号：MINOR(dev_t dev);
生成：MKDEV(int major,int minor);
设备号申请的动静之分：
静态：
|
1
2
|
1
int
register_chrdev_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）*/
|
静态申请相对较简单，但是一旦驱动被广泛使用,这个随机选定的主设备号可能会导致设备号冲突，而使驱动程序无法注册。
动态：
1 2 | 1 int alloc_chrdev_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。*/ |
动态申请简单，易于驱动推广，但是无法在安装驱动前创建设备文件（因为安装前还没有分配到主设备号）。
1.2. 初始化cdev
|
1
2
|
1
void
cdev_init(struct
cdev
*,
struct
file_operations
*);
2
cdev_init()函数用于初始化
cdev
的成员，并建立
cdev
和
file_operations
之间的连接。
|
1.3. 注册cdev
1 2 | 1 int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned); 2 cdev_add()函数向系统添加一个 cdev，完成字符设备的注册。 |
1.4. 硬件初始化
硬件初始化主要是硬件资源的申请与配置，以TQ210的按键驱动为例：
|
1
2
3
4
5
|
1
/*
1.4 硬件初始化*/
2
//申请GPIO资源
3
gpio_request(S5PV210_GPH0(0),
"GPH0_0");
4
//配置输入
5
gpio_direction_input(S5PV210_GPH0(0));
|
2.实现设备操作
用户空间的程序以访问文件的形式访问字符设备，通常进行open、read、write、close等系统调用。而这些系统调用的最终落实则是file_operations结构体中成员函数，它们是字符设备驱动与内核的接口。以TQ210的按键驱动为例：
1 2 3 4 5 6 7 | 1 /*设备操作集合*/ 2 static struct file_operations btn_fops = { 3 .owner = THIS_MODULE, 4 .open = button_open, 5 .release = button_close, 6 .read = button_read 7 }; |
上面代码中的button_open、button_close、button_read是要在驱动中自己实现的。file_operations结构体成员函数有很多个，下面就选几个常见的来展示：
2.1. open（）函数
原型：
|
1
2
|
1
int(*open)(struct
inode
*,
struct
file*);
2
/*打开*/
|
2.2. read( )函数
原型：
1 2 | ssize_t(*read)(struct file *, char __user*, size_t, loff_t*); /*用来从设备中读取数据，成功时函数返回读取的字节数，出错时返回一个负值*/ |
2.3. write( )函数
原型：
|
1
2
3
|
1
ssize_t(*write)(struct
file
*,
const
char__user
*,
size_t,
loff_t*);
2
/*向设备发送数据，成功时该函数返回写入的字节数。如果此函数未被实现，
3
当用户进行write()系统调用时，将得到-EINVAL返回值*/
|
2.4. close( )函数
原型：
1 2 | 1 int(*release)(struct inode *, struct file*); 2 /*关闭*/ |
2.5. 补充说明
1. 在Linux字符设备驱动程序设计中，有3种非常重要的数据结构：struct file、struct inode、struct file_operations。
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, 在文件关闭后释放。其成员loff_t f_pos 表示文件读写位置。
struct inode 用来记录文件的物理上的信息。因此,它和代表打开文件的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。其成员dev_t i_rdev表示设备号。
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。
2. 在read( )和write( )中的buff 参数是用户空间指针。因此,它不能被内核代码直接引用，因为用户空间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。因此，内核提供了专门的函数用于访问用户空间的指针：
|
1
2
|
1
unsigned
long
copy_from_user(void
*to,
const
void
__user
*from,
unsigned
long
count);
2
unsigned
long
copy_to_user(void
__user
*to,
const
void
*from,
unsigned
long
count);
|
3. 驱动注销
3.1. 删除cdev
在字符设备驱动模块卸载函数中通过cdev_del()函数向系统删除一个cdev，完成字符设备的注销。
1 2 3 4 | /*原型：*/ void cdev_del(struct cdev *); /*例：*/ cdev_del(&btn_cdev); |
3.2. 释放设备号
在调用cdev_del()函数从系统注销字符设备之后，unregister_chrdev_region()应该被调用以释放原先申请的设备号。
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1
2
3
4
|
/*原型：*/
void
unregister_chrdev_region(dev_t
from,
unsigned
count);
/*例：*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(major,
0),
1);
|
四、字符设备驱动程序基础:
4.1 cdev结构体
在Linux2.6 内核中，使用cdev结构体来描述一个字符设备，cdev结构体的定义如下：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 | 1 struct cdev { 2 3 struct kobject kobj; 4 5 struct module *owner; /*通常为THIS_MODULE*/ 6 7 struct file_operations *ops; /*在cdev_init()这个函数里面与cdev结构联系起来*/ 8 9 struct list_head list; 10 11 dev_t dev; /*设备号*/ 12 13 unsigned int count; 14 15 }； |
cdev 结构体的dev_t 成员定义了设备号，为32位，其中12位是主设备号，20位是次设备号，我们只需使用二个简单的宏就可以从dev_t 中获取主设备号和次设备号：
MAJOR(dev_t dev)
MINOR(dev_t dev)
相反地，可以通过主次设备号来生成dev_t：
MKDEV(int major,int minor)
4.2 Linux 2.6内核提供一组函数用于操作cdev 结构体
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1
2
3
4
|
1：void
cdev_init(struct
cdev*,struct
file_operations
*);
2：struct
cdev
*cdev_alloc(void);
3：int
cdev_add(struct
cdev
*,dev_t,unsigned);
4：void
cdev_del(struct
cdev
*);
|
其中（1）用于初始化cdev结构体，并建立cdev与file_operations 之间的连接。（2）用于动态分配一个cdev结构，（3）向内核注册一个cdev结构，（4）向内核注销一个cdev结构
4.3 Linux 2.6内核分配和释放设备号
在调用cdev_add()函数向系统注册字符设备之前，首先应向系统申请设备号，有二种方法申请设备号，一种是静态申请设备号：
5：int register_chrdev_region(dev_t from,unsigned count,const char *name)
另一种是动态申请设备号：
6：int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned baseminor,unsigned count,const char *name);
其中，静态申请是已知起始设备号的情况，如先使用cat /proc/devices 命令查得哪个设备号未事先使用（不推荐使用静态申请）；动态申请是由系统自动分配，只需设置major = 0即可。
相反地，在调用cdev_del()函数从系统中注销字符设备之后，应该向系统申请释放原先申请的设备号，使用：
7：void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count);
4.4 cdev结构的file_operations结构体
这个结构体是字符设备当中最重要的结构体之一，file_operations 结构体中的成员函数指针是字符设备驱动程序设计的主体内容，这些函数实际上在应用程序进行Linux 的 open()、read()、write()、close()、seek()、ioctl()等系统调用时最终被调用。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 | 1 struct file_operations { 2 3 /*拥有该结构的模块计数，一般为THIS_MODULE*/ 4 struct module *owner; 5 6 /*用于修改文件当前的读写位置*/ 7 loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); 8 9 /*从设备中同步读取数据*/ 10 ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); 11 12 /*向设备中写数据*/ 13 ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); 14 15 16 ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); 17 ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); 18 int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); 19 20 /*轮询函数，判断目前是否可以进行非阻塞的读取或写入*/ 21 unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); 22 23 /*执行设备的I/O命令*/ 24 int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); 25 26 27 long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); 28 long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); 29 30 /*用于请求将设备内存映射到进程地址空间*/ 31 int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); 32 33 /*打开设备文件*/ 34 int (*open) (struct inode *, struct file *); 35 int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id); 36 37 /*关闭设备文件*/ 38 int (*release) (struct inode *, struct file *); 39 40 41 int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); 42 int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync); 43 int (*fasync) (int, struct file *, int); 44 int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); 45 ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); 46 unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long); 47 int (*check_flags)(int); 48 int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *); 49 ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int); 50 ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int); 51 int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **); 52 }; |
4.5 file结构
file 结构代表一个打开的文件，它的特点是一个文件可以对应多个file结构。它由内核再open时创建，并传递给在该文件上操作的所有函数，直到最后close函数，在文件的所有实例都被关闭之后，内核才释放这个数据结构。
在内核源代码中，指向 struct file 的指针通常比称为filp，file结构有以下几个重要的成员：
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2
3
4
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7
8
9
10
11
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15
16
17
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1
struct
file{
2
3
mode_t
fmode;
/*文件模式，如FMODE_READ，FMODE_WRITE*/
4
5
......
6
7
loff_t
f_pos;
/*loff_t
是一个64位的数，需要时，须强制转换为32位*/
8
9
unsigned
int
f_flags;
/*文件标志，如：O_NONBLOCK*/
10
11
struct
file_operations
*f_op;
12
13
void
*private_data;
/*非常重要，用于存放转换后的设备描述结构指针*/
14
15
.......
16
17
};
|
4.6 inode 结构
内核用inode 结构在内部表示文件，它是实实在在的表示物理硬件上的某一个文件，且一个文件仅有一个inode与之对应，同样它有二个比较重要的成员：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 | 1 struct inode{ 2 3 dev_t i_rdev; /*设备编号*/ 4 5 struct cdev *i_cdev; /*cdev 是表示字符设备的内核的内部结构*/ 6 7 }; 8 9 可以从inode中获取主次设备号，使用下面二个宏： 10 11 /*驱动工程师一般不关心这二个宏*/ 12 13 unsigned int imajor(struct inode *inode); 14 15 unsigned int iminor(struct inode *inode); |
4.7字符设备驱动模块加载与卸载函数
在字符设备驱动模块加载函数中应该实现设备号的申请和cdev 结构的注册，而在卸载函数中应该实现设备号的释放与cdev结构的注销。
我们一般习惯将cdev内嵌到另外一个设备相关的结构体里面，该设备包含所涉及的cdev、私有数据及信号量等等信息。常见的设备结构体、模块加载函数、模块卸载函数形式如下：
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6
7
8
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12
13
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18
19
20
21
22
23
24
25
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27
28
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30
31
32
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35
36
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38
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40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
|
1/*设备结构体*/
2
3
struct
xxx_dev{
4
5
struct
cdev
cdev;
6
7
char
*data;
8
9
struct
semaphore
sem;
10
11
......
12
13
};
14
15
16
17
/*模块加载函数*/
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static
int
__init
xxx_init(void)
20
21
{
22
23
.......
24
25
初始化cdev结构;
26
27
申请设备号；
28
29
注册设备号；
30
31
32
33
申请分配设备结构体的内存；
/*非必须*/
34
35
}
36
37
38
39
/*模块卸载函数*/
40
41
static
void
__exit
xxx_exit(void)
42
43
{
44
45
.......
46
47
释放原先申请的设备号；
48
49
释放原先申请的内存；
50
51
注销cdev设备；
52
53
}
54
55
|
4.8字符设备驱动的 file_operations 结构体重成员函数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 | 1 /*读设备*/ 2 3 ssize_t xxx_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) 4 5 { 6 7 ...... 8 9 使用filp->private_data获取设备结构体指针； 10 11 分析和获取有效的长度； 12 13 /*内核空间到用户空间的数据传递*/ 14 15 copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long count); 16 17 ...... 18 19 } 20 21 /*写设备*/ 22 23 ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) 24 25 { 26 27 ...... 28 29 使用filp->private_data获取设备结构体指针； 30 31 分析和获取有效的长度； 32 33 /*用户空间到内核空间的数据传递*/ 34 35 copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count); 36 37 ...... 38 39 } 40 41 /*ioctl函数*/ 42 43 static int xxx_ioctl(struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg) 44 45 { 46 47 ...... 48 49 switch(cmd){ 50 51 case xxx_CMD1: 52 53 ...... 54 55 break; 56 57 case xxx_CMD2: 58 59 ....... 60 61 break; 62 63 default: 64 65 return -ENOTTY; /*不能支持的命令*/ 66 67 } 68 69 return 0; 70 71 } |
4.9、字符设备驱动文件操作结构体模板
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2
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4
5
6
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8
9
10
11
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16
17
18
19
|
1
struct
file_operations
xxx_fops
=
{
2
3
.owner
=
THIS_MODULE,
4
5
.open
=
xxx_open,
6
7
.read
=
xxx_read,
8
9
.write
=
xxx_write,
10
11
.close
=
xxx_release,
12
13
.ioctl
=
xxx_ioctl,
14
15
.lseek
=
xxx_llseek,
16
17
};
18
19
上面的写法需要注意二点，一：结构体成员之间是以逗号分开的而不是分号，结构体字段结束时最后应加上分号。
|
五、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。
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