2-1、2-2字符设备驱动基本结构

申嵌Linux驱动开发基础班2-1字符设备驱动开发1

   2-1字符设备驱动程序基本结构

字符设备开发的基本步骤

1、确定主设备号和次设备号

2、实现字符驱动程序

实现file_operations结构体

实现初始化函数，注册字符设备

实现销毁函数，释放字符设备

实现字符设备其他基本成员函数

 3、创建设备文件节点

相关知识点：

一、设备号的概念和分配、释放：

1、 主设备号是内核识别一个设备的标识。（12bits整数，0到4095，通常使用1到255,由后往前走）

2、 次设备号有内核使用，用于正确确定设备文件所指的设备（20bits,0到1048575，通常使用0到255）

3、 设备编号内部表达

3.1、dev_t类型32bits(用于保存设备编号：主12bits+次20bits)

3.2、从dev_t获得主设备号和次设备号

    MAJOR（dev_t） MINOR(dev_t)

3.3、由主、次设备号转化成dev_t类型

    MKDEV（int major,int minor）

4、 分配主设备好

4.1、手工分配主设备号：找一个内核没有使用的

    #include<linux/fs.h>

    int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char* name)

    first：要分配的设备编号范围的起始值，次设备号经常为0

    count：所请求的连续设备编号的个数(即次设备号有几个)

    name：和该编号范围关联的设备名

4.2、动态分配

    #include<linux/fs.h>

    int register_chr_dev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor,unsigned int count, char* name)

    *dev：传入指针，系统自动分配的设备编号，并通过该指针传回。

    firstminor:指第一个此设备号（通常为0）

    count：所请求的连续设备编号的个数(即次设备号有几个)

    name：和该编号范围关联的设备名

5、 释放设备号

void unregister_chr_region(dev_t dev,unsigned int count); //该函数通常在模块清除函数中调用。

二、实现字符设备驱动程序

1、cdev结构体

struct cdev

{

 struct kobject kobj; //内勤的kobject对象

 struct module *owner; //所属模块

 struct file_operations *ops; //文件操作结构（指向file_operations文件操作结构体）

 struct list_head list;

  dev_t dev; //设备号，前面已分配，现在要初始化

 unsigned int count;

}

2、操作cdev的函数

2.1、void cdev_int(struct cdev *cdev,struct file_operations *fops);//用于初始化已分配的cdev结构，并建立cdev和file_operations之间的连接。这里的cdev是已经静态分配的空间，最常使用。

2.2、struct cdev *cdev_alloc(void);//用于动态申请一cdev内存空间。

2.3、int cdev_add(struct cdev *dev，dev_t num,unsigned count)//分别向系统添加一个cdev,完成字符设备的注册，通常在模块加载函数中。

   Num：设备号

   Count:有几个设备如果一个填1.

   注：一般模块加载，完成设备的注册要调用两个函数首先是cdev_int()然后是cdev_add()

2.4、void cdev_dev(struct cdev *cdev);//分别向系统删除一个cdev，完成字符设备的注销，通常在模块的卸载函数中调用。

 

3、file_operatins结构体

3.1字符驱动和内核的结构（在include、linux、fs.h中定义）

3.2字符驱动只要实现一个file_operations结构体

3.3当注册到内核中，内核就有了操作此设备的能力。

4、file_operations的主要成员：

 struct module *owner: //指向模块自身：THIS——MODULE

  open://打开设备

  release://关闭设备

  read:从设备上读数据

  write:向设备上写数据

ioctl:I/O控制函数

llseek:定位当前读写位置指针

mmap:映射设备空间到进程地址空间

    

4、 file结构体

4.1、file结构：（file_operations结构相关的一个结构体。描述一个正在打开的设备文件）

4.2、成员：

loff_t f_pos:当前读写位置

unsigned int f_flags：标识文件打开时，是否可读可写。

Struct file_operations *f_op:文件相关的操作，指向所实现的struct file_operations

Void *private_data:私有数据指针。驱动程序可以将这个字段用于任何目的或者忽略这个字段

5、 inode结构体

5.1内核用inode结构在内部表示文件

5.2 inode和file的区别

  file表打开的文件描述符

  多个表打开的文件描述符的file结构，可以指向单个inode结构。

5.3 inode结构中主要的两个字段

  dev_t i_rdev对表设备文件的inode结构，该字段包含了真正的设备编号

  struct cdev *i_cdev

    struct cdev是表示字符设备的内核的内部结构

    当inode指向一个字符设备文件时，该字段包含了指向struct cdev结构。

5.4从一个inode中获得主次设备号

  Unsigned int iminor (struct inode *inode)

  Unsigned int imajor(struct inode *inode)

6、 注册设备，在模块或驱动初始化时调用

Linux-2.6中

Void cdev_init(struct cdev* dev,struct file_operations *fops);

Int cdev_add(struct cdev* dev,dev_t num,unsigned count);

7、 注销设备：在模块的卸载时调用

Linux 2.6

Void cdev_del(struct cdev* dev);

举例：

/ /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;

if (xxx_major){                / /获取字符设备号

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

...

}

 

申嵌Linux驱动开发基础班2-2字符设备驱动开发2

8、打开int xxx_open(struct inode *inode, struct file *filp)

模块使用计数加1

识别次设备号

硬件操作：

检查设备相关错误（诸如设备未就绪或类似的硬件问题）；

如果设备是首次打开，则对其初始化；

如果有中断操作，申请中断处理程序；

9、关闭int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp) ;

模块使用计数减1

释放由open分配的，保存在filp>private_data里的所有内容。

硬件操作:

如果申请了中断，则释放中断处理程序。

在最后一次关闭操作时关闭设备。

10、read/write

ssize_t read(struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);

ssize_t write(struct file *filp, const char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)

char __user *buff指向用户空间的缓冲区，这个缓冲区或者保存将写入的数据，或者是一个存放一个新读入数据的空缓冲区。其中__表示危险的操作。

Lofff_t *offp表偏移空间

Size_t count表读写大小

11、用户空间和内核空间之间的数据拷贝过程，

不能简单的用指针操作或者memcpy来进行数据拷贝

用户空间的数据是可以被换出的，会产生一个页面失效异常。

用户空间的地址无法在内核空间中使用。

12、用户空间和内核空间之间进行数据拷贝的函数：

unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count) ;(上面的write（）函数调用了这个)

unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long count);

（上面的read()函数调用了这个函数）

如果要复制的内存是简单类型，如char、int、long等，put_user()和get_user()

实例：

读设备模板

ssize_t xxx_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count ,loff_t*f_pos){

...

copy_to_user(buf, ..., ... );

...

}

 

写设备模板

ssize_t xxx_write(struct file *fil p, const char __user *buf , size_t count ,loff_t *f_pos){

...

copy_from_user(..., buf, ... );

...

}

 

13、ioctl函数

为设备驱动程序执行“命令”提供了一个特有的入口点。

用来设置或者读取设备的属性信息。

int ioctl (struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);

unsigned int cmd事先定义的IO控制命令（参数不一定是这种类型，要进行各种转换）

arg为对应与cmd命令的参数

  13.1 cmd参数的定义

不推荐用0x1，0x2，0x3之类的值

Linux对ioctl()的cmd参数有特殊的定义

构造命令编号的宏：

设备类型（type）

序列号（number）

方向（direction）

数据尺寸（size）

8bit

8bit

2bit

13/14bit

_

 

I          O(type，nr)用于构造无参数的命令编号；

_IOR(type，nr，datatype)用于构造从驱动程序中读取数据的命令编号；

_IOW(type，nr，datatype)用于写入数据的命令；

_IOWR(type，nr，datatype)用于双向传输。

type和number位字段通过参数传入，而size位字段通过对datatype参数取sizeof获得。

   13.2 ioctl函数模板

int xxx_ioctl( struct inode *inode, struct f ile *filp, unsigned int cmd,unsigned long arg){

...

switch (cmd)

{

case XXX_CMD1:

...

break;

case XXX_CMD2:

...

break;

default: ///*不能支持的命令*/

return - EINVAL;

}

return 0;

}
             总结：字符设备驱动结构