linux字符设备驱动

linux字符设备驱动是linux三大驱动程序中比较简单的类型，本文将简单介绍字符设备驱动程序中的常用数据结构和编程方法。

1） cdev 结构体介绍

struct cdev {struct kobject kobj;struct module *owner;const struct file_operations *ops;struct list_head list;dev_t dev;unsigned int count;};

linux 内核中使用 cdev结构体描述一个字符设备，该结构体的代码如上所示。

可以函数动态申请一个cdev结构的内存

struct cdev *cdev_alloc(void)

2） 操作函数集介绍

struct file_operations *ops; 是字符设备驱动的操作函数集，该函数是字符设备驱动程序的主体设计内容，最终被linux 系统中的open（），read（），write（），ioctl（），close（）系统调用函数调用，所以操作函数集是应用程序和内核驱动程序的控制纽带。

struct file_operations结构体在内核中的定义为

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 *);int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);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 *, struct dentry *, 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 **);};

这里重点介绍几个操作函数集中成员函数的使用方法：

ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);

 驱动设备的读函数，struct file *类型的变量是文件结构体指针，char __user *类型的变量表示用户空间中的地址，用于保存驱动程序读取的数据，loff_t *类型的变量表示读取的字节数。由于用户空间不能直接访问内核空间的内存，故char __user *类型的变量不能直接保存读取到的数据。内核中提供了copy_form_user（）  和 copy_to_user（） 这两个函数实现了用户空间和内核空间的数据复制。两个函数的原型为：

copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n)copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n)

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);

 驱动设备的写函数与读函数使用方法类似，需要注意的也是用户空间和内核空间的数据复制的问题。

  驱动中的读写函数分别与系统调用read()和write()对应 成功时返回读到或写入的字节数，返回0 表示EOF,返回负值表示错误信息。

  

 long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
  提供了设备控制函数，与系统调用中的ioctl ( ) 函数对应，该函数中 第二个参数表示命令字，该命令字可以通过下列宏生成

_IO(type,nr)_IOR(type,nr,size)_IOW(type,nr,size)_IORW(type,nr,size)

其中

设备类型（type）序列号(nr)方向数据尺寸(size)8位8位2位13/14位通常设备类型定位为“幻数” MAGIC  可以是一个字符类型的值，内核中已经定义和使用了一些幻数，定义时应避免发生冲突。

驱动程序中需要定义一个操作函数集合实例，该实例的初始化就是把驱动设备具体的操作函数赋值给struct file_operations的成员。

static struct file_operations xxx_fops = {.open = xxx_open,.unlocked_ioctl = xxx_ioctl,};

在驱动函数中 需要使用   void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)  函数建立 cdev 和  struct file_operations 的联系。

3） 字符设别号的申请

cdev结构中的 32位 dev 成员变量定义的字符设备的设备号，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号，一般用不同类型设备有不同的主设备号，同类型的多个设备用次设备号来进行区分。

可以用主设备号和次设备号使用下列宏生成设备号

MKDEV(int major, int minor);

  也可以利用下列宏获得设备的 主设备号和次设备号

MAJOR(dev_t dev)MINOR(dev_t dev)

设备号的申请方式有两种

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)

register_chrdev_region 是在 用于在已知起始设别号的情况下，用于静态向内核申请设别号

alloc_chrdev_region 可以向内核动态申请一个未被使用的设别号，防止设别号冲突的情况发生。

当然在字符设备注销后，申请的设备好也应该被释放，使用的函数为：

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

4）字符设备注册  cdev_add

当申请到设备号并且使用cdev_init() 对 cdev 进行了初始化 后便可以向内核中注册字符设备了。注册函数为：

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

在驱动模块的卸载函数中也有对应销毁字符设备的函数：

cdev_del(struct cdev *p)

下面给出一个字符设备驱动简单编程模版

struct cdev  cdev_xxx;

static struct file_operations led_fops = {<span style="white-space:pre"></span>.open = ...,<span style="white-space:pre"></span>.unlocked_ioctl = ...,<span style="white-space:pre"></span>

<span style="white-space:pre"></span>...};static int xxx_init(){cdev_init(&cdev_xxx, &lxxx_fops);alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "name");cdev_add(&cdev_xxx, devno, 1);return 0;}void led_exit(){cdev_del(&cdev_xxx);unregister_chrdev_region(devno, 1);}