本文介绍Linux字符设备驱动的原理与实现细节，包括设备号管理、设备注册与注销流程、驱动程序设计模型等内容。
一、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。
二、字符设备驱动模型
（PS:神马情况！本地上传的图片，质量下降这么多）
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：
/*……*/
/* 分配cdev*/
struct cdev btn_cdev;
/*……*/
/* 1.1 申请设备号*/
if(major){
//静态
dev_id = MKDEV(major, 0);
register_chrdev_region(dev_id, 1, "button");
} else {
//动态
alloc_chardev_region(&dev_id, 0, 1, "button");
major = MAJOR(dev_id);
}
/*……*/
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：
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)；
/*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：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name)；
/*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
void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *);
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
int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
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：
/* 1.4 硬件初始化*/
//申请GPIO资源
gpio_request(S5PV210_GPH0(0), "GPH0_0");
//配置输入
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：
/*设备操作集合*/
static struct file_operations btn_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = button_open,
.release = button_close,
.read = button_read
};
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：
int(*open)(struct inode *, struct file*);
/*打开*/
案例：
static int button_open(struct inode *inode, struct file *file){
unsigned long flags;
//获取分配好的私有数据结构的首地址
struct button_priv *pbtnp = container_of(inode->i_cdev,
struct button_priv,
btn_cdev);
//保存首地址到file->private_data
file->private_data = pbtnp;
if(down_interruptible(&pbtnp->sema)){
printk("Proccess is INT!\n");
return -EINTR;
}
printk("open button successfully !\n");
return 0;
}
2.2. read( )函数
原型：
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*/
案例：
static ssize_t button_read(struct file *file, char __user *buf,
size_t count, loff_t *ppos){
//获取首地址
struct button_priv *pbtnp = file->private_data;
//判断按键是否有操作，如果有，则读取键值并上报给用户；反之，则休眠
wait_event_interruptible(pbtnp->btn_wq, is_press != 0);
is_press = 0;
//上报键值
copy_to_user(buf, &key_value, sizeof(key_value));
return count;
}
/*参数：file是文件结构体指针，buf是用户空间内存的地址，该地址在内核空间不能直接读写，
count 是要读的字节数，ppos是读的位置相对于文件开头的偏移*/
2.3. write( )函数
原型：
ssize_t(*write)(struct file *, const char__user *, size_t, loff_t*);
/*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，
当用户进行write()系统调用时，将得到-EINVAL返回值*/
案例：
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf,
size_t size, loff_t *ppos){
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器地址*/
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= 5*sizeof(int))
return 0;
if (count > 5*sizeof(int) - p)
count = 5*sizeof(int) - p;
/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(register_addr + p, buf, count))
ret = -EFAULT;
else {
*ppos += count;
ret = count;
}
return ret;
}
/*参数：filp是文件结构体指针，buf是用户空间内存的地址，该地址在内核空间不能直接读写，
count 是要读的字节数，ppos是读的位置相对于文件开头的偏移*/
2.4. close( )函数
原型：
int(*release)(struct inode *, struct file*);
/*关闭*/
案例：
static int button_close(struct inode *inode, struct file *file){
/* 1.获取首地址*/
struct button_priv *pbtnp = file->private_data;
up(&pbtnp->sema);
return 0;
}
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：
unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count);
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。
/*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。
/*原型：*/
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
/*例：*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(major, 0), 1);
三、Linux字符设备驱动模板与案例
1. 字符设备驱动模块加载与卸载函数模板
在实际开发中，通常习惯为设备定义一个设备相关的结构体，其包含该设备所涉及到的cdev、私有数据及信号量等信息。
/*字符设备驱动模块加载与卸载函数模板*/
/* 设备结构体
struct xxx_dev_t {
struct cdev cdev;
...
} xxx_dev;
/* 设备驱动模块加载函数
static int __init xxx_init(void) {
...
cdev_init(&xxx_dev.cdev, &xxx_fops);/* 初始化cdev */
xxx_dev.cdev.owner = THIS_MODULE;
/* 获取字符设备号*/
if (xxx_major) {
register_chrdev_region(xxx_dev_no, 1,DEV_NAME);
} else {
alloc_chrdev_region(&xxx_dev_no, 0, 1,DEV_NAME);
}
ret = cdev_add(&xxx_dev.cdev,xxx_dev_no, 1); /* 注册设备*/
...
}
/*设备驱动模块卸载函数*/
static void __exit xxx_exit(void) {
unregister_chrdev_region(xxx_dev_no, 1); /* 释放占用的设备号*/
cdev_del(&xxx_dev.cdev); /* 注销设备*/
...
}
2.字符设备驱动读、写、IO控制函数模板
/*字符设备驱动读、写、IO控制函数模板*/
/* 读设备*/
ssize_t xxx_read(struct file *filp, char__user *buf,
size_t count,loff_t*f_pos) {
...
copy_to_user(buf, ..., ...);
...
}
/* 写设备*/
ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char__user *buf,
size_t count,loff_t*f_pos) {
...
copy_from_user(..., buf, ...);
...
}
/* ioctl函数 */
int xxx_ioctl(struct inode *inode, struct file*filp,
unsigned int cmd, unsigned long arg) {
...
switch(cmd) {
caseXXX_CMD1:
...
break;
caseXXX_CMD2:
...
break;
default:
/* 不能支持的命令 */
return - ENOTTY;
}
return 0;
}
在设备驱动的读、写函数中，filp是文件结构体指针，buf是用户空间内存的地址，该地址在内核空间不能直接读写，count 是要读的字节数，f_pos是读的位置相对于文件开头的偏移。
3.TQ210的最简单按键驱动示例
#include <linux/init.d>
#include <linux/module.h>
#include <linux/cdev>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/device.h>
#include <plat/gpio-cfg.h>
#include <asm/gpio.h>
static int major;
/* 分配cdev*/
struct cdev btn_cdev;
/* 记录按键值*/
static unsigned char key_value;
/* 2. 实现设备操作*/
/* 2.1 read*/
static ssize_t button_read(struct file *file, char __user *buf,
size_t count, loff_t *ppos) {
int status = 0;
//1. 获取GPIO的状态
status = gpio_get_value(S5PV210_GPH0(0));
if(status == 1)
key_value = 0x50;
else
key_value = 0x51;
//2. 上报GPIO的状态
copy_to_user(buf, &key_value, sizeof(key_value));
return count;
}
/* 2.2 设备操作集合*/
static struct file_operations btn_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.read = button_read
};
//设备类
static struct class *btn_cls;
/* 1. 驱动初始化*/
static init button_init(void){
dev_t dev_id;
/* 1.1 申请设备号*/
if(major){
//静态
dev_id = MKDEV(major, 0);
register_chrdev_region(dev_id, 1, "button");
} else {
//动态
alloc_chardev_region(&dev_id, 0, 1, "button");
major = MAJOR(dev_id);
}
/* 1.2 初始化cdev*/
cdev_init(&btn_cdev, &btn_fops);
/* 1.3 注册cdev*/
cdev_add(&btn_cdev, dev_id, 1);
/* 1.4 自动创建设备节点*/
/* 1.4.1 创建设备类*/
//sys/class/button
btn_cls = class_create(THIS_MODULE, "button");
/* 1.4.2 创建设备节点*/
device_create(btn_cls, NULL, dev_id, NULL, "button");
/* 1.4 硬件初始化*/
//申请GPIO资源
gpio_request(S5PV210_GPH0(0), "GPH0_0");
//配置输入
gpio_direction_input(S5PV210_GPH0(0));
return 0;
}
/* 3. 驱动注销*/
static void button_exit(void){
/* 3.1 释放GPIO资源*/
gpio_free(S5PV210_GPH0(0));
/* 3.2 删除设备节点*/
device_destroy(btn_cls, MKDEV(major, 0));
class_destroy(btn_cls);
/* 3.3 删除cdev*/
cdev_del(&btn_cdev);
/* 3.4 释放设备号*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(major, 0), 1);
}
module_init(button_init);
module_exit(button_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");
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