[国嵌学习日志][113][字符设备驱动模型]

设备驱动模型
1.驱动初始化（驱动安装）
1.1.分配设备描述符
1.2.初始化设备描述符
1.3.注册设备描述符
1.4.硬件初始化
2.实现设备操作（驱动操作）
3.驱动注销（驱动卸载）

设备描述结构
在任何一种驱动模型中，设备都会用内核中的一种结构来描述。我们的字符设备在内核中使用struct cdev来描述。
struct cdev{
    struct kobject kobj;
    struct module *owner;
    const struct file_operations *ops;   //设备操作集
    struct list_head list;
    dev_t dev;            //设备号
    unsigned int count;   //设备数
};
 
设备号的作用
通过ls –l命令可以查看/dev目录下的设备号。字符设备文件与字符设备驱动通过主设备号建立关系，同一类的设备通过不同的次设备号来使用同一个设备驱动。
示例：
ls –l /dev
crw-r—–. 1 root root     10, 223 3月   6 18:33 uinput
c表示字符设备，10表示主设备号，223表示次设备号
 
设备号的操作
Linux内核中使用dev_t类型来定义设备号，dev_t这种类型实质是32为unsigned int，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号。
通过主设备号和次设备号合成dev_t类型
dev_t dev = MKDEV(主设备号，次设备号)
通过dev_t中分解主设备号
主设备号=MAJOR(dev_t dev)
通过dev_t中分解次设备号
次设备号=MINOR(dev_t dev)
 
设备号的分配
1.静态申请
开发者自己选择一个数字作为主设备号，通过函数register_chrdev_region向内核申请使用。缺点是如果申请使用的设备号已经被内核中的其他驱动使用，那么申请失败。
2.动态申请
使用alloc_chrdev_region由内核分配一个可以使用的主设备号。优点是因为内核知道哪些设备号已经被使用，所以不会导致分配到已经被使用的设备号。
函数原型：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
参数说明：
dev:设备描述结构
baseminor:次设备号起始编号
count:次设备号数目
name:驱动名称，对应于分配设备号后添加到/proc/devices里面的名称
 
设备号的注销
不论使用何种方法分配设备号，都应该在驱动程序退出时，使用unregister_chrdev_region函数释放这些设备号。
 
 
设备操作集
应用程序通过系统调用访问字符设备文件，字符设备文件通过字符操作集映射到字符设备驱动。
设备操作集相当于一张映射表，能把来自应用程序的系统调用映射成驱动程序中的函数去执行。

struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (llseek) (struct file , loff_t, int);
ssize_t (read) (struct file , char __user , size_t, loff_t );
ssize_t (write) (struct file , const char __user , size_t, loff_t );
ssize_t (aio_read) (struct kiocb , const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
ssize_t (aio_write) (struct kiocb , const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
int (readdir) (struct file , void *, filldir_t);
unsigned int (poll) (struct file , struct poll_table_struct *);
long (unlocked_ioctl) (struct file , unsigned int, unsigned long);
long (compat_ioctl) (struct file , unsigned int, unsigned long);
int (mmap) (struct file , struct vm_area_struct *);
int (open) (struct inode , struct file *);
int (flush) (struct file , fl_owner_t id);
int (release) (struct inode , struct file *);
int (fsync) (struct file , int datasync);
int (aio_fsync) (struct kiocb , int datasync);
int (fasync) (int, struct file , int);
int (lock) (struct file , int, struct file_lock *);
ssize_t (sendpage) (struct file , struct page , int, size_t, loff_t , int);
unsigned long (get_unmapped_area)(struct file , unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
int (*check_flags)(int);
int (flock) (struct file , int, struct file_lock *);
ssize_t (splice_write)(struct pipe_inode_info , struct file , loff_t , size_t, unsigned int);
ssize_t (splice_read)(struct file , loff_t , struct pipe_inode_info , size_t, unsigned int);
int (setlease)(struct file , long, struct file_lock **);
long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
loff_t len);
};

 
 
struct file_operations是一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作。结构中的函数指针指向驱动中的函数，这些函数实现一个针对设备的操作，对于不支持的操作设置函数指针为NULL。
示例：
struct file_operations dev_fops={
.llseek = NULL,
.read = dev_read,
.write = dev_write,
.ioctl = dev_ioctl,
.open = dev_open,
.release = dev_release
};
 
描述结构的分配
cdev变量的定义可以采用静态和动态分配两种办法
1.静态分配
struct cdev mdev;
2.动态分配
struct cdev *pdev = cdev_alloc();
 
描述结构的初始化
struct cdev的初始化使用cdev_init函数来完成
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
 
描述结构的注册
字符设备的注册使用cdev_add函数来完成。
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:该类设备的设备个数
 
硬件初始化
根据相应的硬件芯片手册，完成初始化。
 
设备操作函数（又称为设备操作方法）
设备操作原型的参数都是固定，但是名字可以顺便取。
int (open)(struct inode , struct file *)
打开设备，响应open系统调用
 
int (release)(struct inode , struct file *)
关闭设备，响应close系统调用
 
loff_t (llseek)(struct file , loff_t, int)
重定位读写指针，响应lseek系统调用
 
ssize_t (read)(struct file , char __user , size_t, loff_t )
从设备读取数据，响应read系统调用
 
ssize_t (write)(struct file , const char __user , sizet_t, loff_t )
向设备中写入数据，响应write系统调用
 
struct file
在Linux系统中，每一个打开的文件，在内核中都会关联一个struct file,它由内核在打开文件时创建，在关闭文件后释放。
重要成员：
loff_t f_pos                   //文件读写指针
struct file_operations *f_op   //该文件所对应的操作
 
struct inode
每一个存在于文件系统里面的文件都会关联一个inode结构，该结构主要用来记录文件物理上的信息。因此它和代表打开文件的file结构是不同的。一个文件没有被打开时不会关联file结构，但是却会关联一个inode结构。
重要成员：
dev_t i_rder:设备号
 
设备操作open
open设备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：
标明次设备号
启动设备
 
设备操作release
release方式的作用正好与open相反。这个设备方法有时也称为close，它完成如下工作：
关闭设备
 
设备操作read
read设备方法通常完成两件事情：
从设备中读取数据（属于硬件访问类操作）
将读取到的数据返回给应用程序
 
ssize_t (*read)(struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)
参数分析：
filp:与字符设备文件关联的file结构指针，由内核创建。
buff:从设备读取到的数据，需要保存到的位置。由read系统调用提供该参数。
count:请求传输的数据量，由read系统调用提供该参数。
offp:文件的读写位置，由内核从file结构中取出后，传递进来。
 
buff参数是来源于用户空间的指针，这类指针都不能被内核代码直接引用，必须使用专门的函数：
int copy_to_user(void __user *to, const void *from, int n)   读取数据
int copy_from_user(void __user *to, const void *from, int n)   写入数据
 
设备操作write
write设备方法通常完成两件事：
从应用程序提供的地址中取出数据
将数据写入设备（属于硬件访问类操作）
 
struct (write)(struct file , const char __user , size_t, loff_t )
参数类似于read
 
驱动注销
当我们从内核中卸载驱动程序的时候，需要使用cdev_del函数来完成字符设备的注销。