字符设备驱动

一．       知识点

1.      设备号；

2.      创建设备文件；

3.      设备注册；

4.      重要数据结构；

5.      设备操作

设备号

设备号用来做什么？？

设备号是设备在linux下的身份ID,每一个系统识别的设备都有一个设备号，而且在系统范围内唯一。(相当于你们的身份证号码一样)
设备号又分主设备号与次设备号。

主设备号用来表示一类设备，用来表示一个特定的驱动程序；次设备号用来表示特定的设备。(如串口驱动)

设备号的作用

 

1>.主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序。

次设备号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备。

 

*****主设备号用来反映设备类型******

***次设备号用来区分同类型的哪一个设备***

 

二．主次设备号

Q:内核中如何描述设备号？

在linux内核中，dev_t类型用来表示设备号。在linux 2.6.35.10中，dev_t定义为一个无符号长整型变量，如下：
typedef u_long dev_t;

A:dev_t

*****其实质为unsigned  int  32位整数，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号。

 

Q：如何从dev_t中分解出主设备号？

A：MAJOR(dev_t  dev)

Q:如何从dev_t只分解出次设备号？

A：MINOR(dev_t dev)

    MKDEV(ma, mi) /*生成一个dev_t的设备号*/

三．分配主设备号

Linux 内核如何给设备分配主设备号？

可以采用静态申请，动态分配两种方法

（动态、静态是针对主设备号来说的）

 

静态申请

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）

参数：

From :希望申请使用的设备号数目

Count :希望申请使用的设备号数目

Name :设备名（体现在/proc/devices）

 

动态分配

 

方法：

使用alloc_chrdev_region分配设备号

动态分配

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

功能：动态申请count个设备号，第1个设备号的次设备号为baseminor.

参数：

Dev:分配到的设备号

Baseminor :起始次设备号

Count :要注册的设备号个数

Name :设备名（体现在/proc/devices）

主设备号是动态产生的，次设备号（的第一个）是要指定的；

四．注销设备号

       不论使用何种方法分配设备号，都应该在不再使用它们的时候释放这些设备号。

 

Void unregister_chrdev_region(dev_t  from,  unsigned count)

 功能：

释放从from 开始的count个设备号

 

五．创建设备文件

两种方法：1.使用mknod命令手工创建；

   2.自动创建

 

手工创建：

mknod用法：

mknod  filename type major minor

filename :设备文件名

type: 设备文件类型

major：主设备号

minor :次设备号

 

例如：mknod serial0  c  100  0

 

之后 ls  serial0  命令可查

不要0也可以，通过0知道是第几个设备

六．重要结构

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：

1.      struct  file

2.      struct  inode

3.      struct  file_operations

 

Stuct  file 

代表一个开打的文件。系统中每一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。

(一个文件被打开一次对应一个Struct  file，这个文件同时被打开10次，则对应10个Struct  file)

 

***重要成员

Loff_t  f_pos  /*文件读写位置*/

Struct  file_operations *f_op

 

struct  inode

用来记录文件的物理上的信息。因此，他和代表打开文件的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。

 

***重要成员：

dev_t  i_rdev :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

七．设备注册（分配）


在Linux 2.6内核中，字符设备使用struct cdev来描述。
Linux内核中对于每一类设备，都用相应的数据结构来表示。

Struct cdev(定义在linux/cdev.h中)在linux内核中，表示字符设备。也就是说，你的字符设备驱动中必须要申请struct cdev的实例来表示你所驱动的字符设备。
字符设备的注册可分为如下3个步骤：

1.      分配cdev
2.      初始化cdev
3.      注册（添加）cdev
struct cdev的分配可以使用cdev_alloc函数来完成。
    Struct  cdev *cdev_alloc(void)
（去分配是因为我们想拿到一个cdev的结构，若是静态的直接定义一个变量，则不需要分配。例如：是整型指针需要分配空间，是一个整型变量则不需要分配空间）

struct cdev的初始化可以使用cdev_init函数来完成。

 Void  cdev_init(struct  cdev *cdev, const struct  file_operations *fops)

注意：第二个参数：file_operations *fops就把结构file_operations和驱动程序绑定起来了

参数：

Cdev:待初始化的cdev结构


fops :设备对应的操作函数集

struct cdev的注册使用cdev_add函数来完成。


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


作用把struct cdev注册到内核里面去


参数：


p:待添加到内核的字符设备结构


dev:设备号


count :添加的设备个数


设备操作


§ int (*open)(struct  inode*, struct file*)
在设备文件上的第一个操作，并不要求驱动程序一定要实现这个方法。如果该项为NULL,设备的打开操作永远成功。
void (*release)(struct inode*,struct file*)
当设备文件被关闭时调用这个操作。与open相仿，release也可以没有。
§ssize_t(*read)(struct file*,char_user*,size_t,loff_t*)

从设备中读取数据

§ ssize_t(*write)(struct file*,char_user*,size_t,loff_t*)
向设备中写数据
§unsigned int(*poll)(stuct file*,struct poll_table_struct*)

对应select系统调用
§int (*ioctl)(struct inode*, struct file*,unsigned int,unsigned long)

控制设备
§int (*mmap)(stuct file*,struct vm_area_struct*)
将设备映射到进程虚拟地址空间中
§off_t (*llseek)(struct file*, loff_t,int)

修改文件的当前读写位置，并将新位置作为返回值

Open方法

Open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：

1>.初始化设备；

2>.表明次设备号；

 

Release方法：

Release方法的作用正好与open相反，关闭设备作用；

 

读和写

读和写方法都完成类似工作：从设备中读取数据到用户空间；将数据给驱动程序。它的原型也相似：

Ssize_t xxx_read(struct  file *filp ,  char_user *buff,  size_t count,  loff_t *offp);

Ssize_t xxx_write(struct file *filp,  char_user *buff,  size_t count, loff_t *offp);

对于2个方法，filp是文件指针，count是请求传输的数据量。Buff参数指向数据缓存。最后，offp指向文件当前的访问位置。

 

读和写

Read和write方法的buff参数是用户空间指针。因此，它不能被内核代码直接引用，理由如下：

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,例如：

 

**int  copy_from_user(void *to,  const void_user *from,  int n)

***int  copy_to_user(void_user *to,  const  void *from,  int n)

 

应该从应用程序角度看待：

用户要去读这个设备，则数据从设备流向用户：copy_to_user

分三步走: (见文件夹char-frame中的示例代码)
Step 1:申请设备号(静态、动态)
Step 2:注册字符设备 (围绕struct cdev)
struct cdev *cdev_alloc(void)；
void cdev_init(struct cdev *cdev,  const struct file_operations *fops) ;
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)； 
Step 3:创建设备节点 (有两种方式)
一是通过 mknod命令来创建;
另外一种方法是通过udev自动生成。