Linux驱动入门（一）字符设备驱动基础

Linux驱动入门系列

Linux驱动入门（一）字符设备驱动基础

Linux驱动入门（二）操作硬件

Linux驱动入门（三）Led驱动

Linux驱动入门（四）非阻塞方式实现按键驱动

Linux驱动入门（五）阻塞方式实现按键驱动

Linux驱动入门（六）poll机制实现按键驱动

Linux驱动入门（七）使用定时器消除按键抖动

Linux驱动入门（一）字符设备驱动基础

一、驱动简介

Linux驱动分为字符设备驱动、块设备驱动、网络设备驱动

• 字符设备驱动

  字符设备指必须以串行顺序依次访问的设备，如led、触摸屏、鼠标等

  通过open、close、read、write等系统调用访问

• 块设备驱动

  块设备可以按任意顺序访问，以块为单位进行操作，如硬盘、EMMC等

  块设备和字符设备的驱动设计有很大的差异，但是也可以通过open、close、read、write等系统调用进行访问，不过一般都是使用文件系统来进行管理

• 网络设备驱动

  网络设备是面向数据包的接收和发送设计的，在文件系统中并没有对应的设备结点，通过socket接口进行访问

本文主要讲解字符设备

二、字符设备驱动概念

Linux下一切皆文件，例如一个led设备，在文件系统中表现为一个设备节点/dev/led，应用层通过open、read、write等系统调用就可以控制led

例如想让led亮，就打开设备文件写1

int fd;
int val = 1;

fd = open("/dev/led", xxx);
write(fd, &val, sizeof(val));

这样就可以使得led被点亮了

现在思考一个问题，为什么这样就可以使led点亮？

要想让led点亮，必须操作硬件，操作硬件这部分工作就是led的驱动所完成的

最简单的方式就是，应用层对led进行open操作，那么就对应led驱动程序中的一个led_open。应用层对led进行write操作，就对应led驱动程序的一个led_write操作，然后在led_write操作中去操控硬件，进而控制led

那么对led设备节点进行open、write系统调用，怎么才能调用到驱动程序的led_open、led_write呢？

当应用层调用open、read、write等操作时，会引发一个异常，导致系统变为内核态，然后再去执行相应的系统调用sys_open、sys_read、sys_write等

在sys_open、sys_read、sys_write中会去找到相应的驱动程序，然后再调用驱动程序的open、read、write去操作硬件

如下图所示

那么在虚拟文件系统中调用sys_open，是怎么找到led驱动程序而不是其他驱动呢？

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首先介绍一下设备号

每一个设备都有一个设备号，使用32位表示，其中高12位表示主设备号，低20位表示次设备号

使用ls /dev/led -l查看设备，可以得到下面信息

crw-rw----    1 root     0          10, 131 Jan  1 12:00 /dev/led

其中10, 131表示设备号，10表示主设备号，131表示次设备号

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为了方便理解，我们可以认为内核中有一个字符设备数组，以主设备号为下标，字符设备本身为数组元素，字符设备中有一个文件操作集，设置了一系列的操作函数(如led_open、led_write、led_read)

sys_open等系统调用通过设备文件的主设备好找到数组中的一项，通过字符设备的文件操作集合调用到led驱动中的led_open等函数

字符设备驱动就是要完善这个fops(文件操作集)，然后指定设备号，向内核注册字符设备

三、注册字符设备

首先看一下字符设备对象

struct file_operations {
   
   
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
	int (*open) (struct inode *, struct file *);
    ...
};

struct cdev {
   
   
	struct kobject kobj;
	struct module *owner; /* 所属模块 */
	const struct file_operations *ops; /* 文件操作集 */
	struct list_head list;
	dev_t dev; /* 设备号 */
	unsigned int count;
};

其中的dev_t成员定义了设备号，为32位，高12位为主设备号，低20位为次设备号

内核使用下面两个宏获取主次设备号

MAJOR(dev_t dev) //主设备号
MINOR(dev_t dev) //次设备号

使用下面该宏获取设备号

MKDEV(int major, int minor)

每个字符设备都有自己对应的设备号范围，下面介绍怎么申请设备号

• 申请设备号

  动态分配

  此函数指定次设备号和设备号个数，可以动态分配主设备号

  /*
   * dev：返回申请到的设备号
   * baseminor：起始次设备号
   * count：申请的设备号个数
   */
  int alloc_chrdev_region(dev_t