LINUX字符设备驱动总结

如果你曾经学过或使用过Linux字符设备驱动，那么你能回答以下问题吗？

1.什么是Linux字符设备驱动？

2.编写一个Linux字符设备驱动需要哪些知识？

3.用户空间是如何调用到Linux字符设备驱动的？

4.编写Linux字符设备驱动的步骤？

我想如果你能把这些问题回答清楚，你就能写Linux字符设备驱动，对Linux字符设备驱动的原理机制有比较深刻的理解了。下面就让我们带着这些问题去找答案！

 

1.什么是Linux字符设备驱动？

  我们都知道Linux中设备大致可以分为3类：字符设备，块设备，网络设备。字符设备是指那些只能按顺序一个一个字节存储的设备（如：键盘，鼠标，串口，控制台等），有些地方，高级的字符设备也可以从指定的位置一次读取一块数据。每个字符设备都有一个设备号（设备号由主/次设备号构成），而且在Linux系统中把字符设备当作普通文件来管理，因此每个字符设备会在/dev下生存对应的字符设备文件（又称设备节点）。每个设备文件又有自己的设备文件操作函数组结构（struct file_operations）里面往往包含有：open，close，read，write等文件操作方法。

 

 

2.编写Linux字符设备驱动的步骤？

  之所以先说编写Linux字符设备驱动的步骤，是因为有过驱动编写或学习经历的人都对这个过程耳熟能详，我们大概都知道这个过程，使用哪些API。

步骤：

·申请设备号：动态/静态申请主设备号

·定义cdev结构并初始化：cdev_init(struct cdev* ,const struct file_operations* )

·注册该cdev结构：cdev_add(struct cdev* cdev, dev_t dev, unsigned cont)

 

对于申请设备号，提供了如下API：

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)

 

对于cdev结构，可以动态申请/也可以静态定义：

struct cdev *cdev_alloc(void)

 

初始化驱动程序结构：

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

需要构造一个file_operations结构。

 

对于注册驱动程序：

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

需要给定cdev结构，起始设备号及设备号范围。

 

3.编写一个Linux字符设备驱动需要哪些知识？

  2.1 对字符设备硬件的了解（有哪些功能，如何使用这些功能？归根结底就是如何配置设备里的这些寄存器）

  2.2 熟悉Linux内核的字符设备驱动框架

  如果你对以上两点都掌握清楚了的话，编写字符设备驱动自然不在话下。如果你能更深入了解这些框架的内部实现机制，则能更好的编写驱动。

  以下将对内核中字符设备驱动中涉及的概念及数据结构，重要函数进行分析：(以Linux2.6.30内核为例，其他版本的Linux2.6内核实现的机制原理是一样的)

kobj_map：内核对象的映射结构

struct kobj_map {

    struct probe { 设备的探测结构

       struct probe *next; 指向主设备号相同或%255相同设备探测结构

       dev_t dev; 设备号（主+次）

       unsigned long range; 设备号的范围

       struct module *owner; 实现该驱动程序模块的指针

       kobj_probe_t *get; 获取该驱动程序模块的函数指针

       int (*lock)(dev_t, void *); 增强驱动程序引用计数器函数指针

       void *data; 指向拥有该设备号范围的设备驱动程序结构指针（cdev）

    } *probes[255];   含有255项探测结构指针数组

    struct mutex *lock; 映射结构的锁

};

在/fs/char_dev.c中静态定义了该结构的全局指针：

static struct kobj_map *cdev_map;

对于kobj_map结构在Linux内核中有如下调用过程：

void __init chrdev_init(void) /* 字符设备初始化 */

   cdev_map = kobj_map_init(base_probe, &chrdevs_lock);

其结构如下图所示：

 

cdev:字符设备驱动程序结构

  字符设备驱动本身需要一个结构来描述，在Linux2.6.x内核中使用struct cdev结构来描述。

 

 

char_dev_struct：设备号管理结构

 

下面就对上面所涉及的核心API及数据结构的调用进行分析，进一步弄清其内部的机制：

register_chrdev_region:

 

alloc_chrdev_region:

 

__register_chrdev_region：设备号分配的核心函数

第一步：动态分配设备号管理结构

 

第二步：填充该设备号管理结构

 

第三步：将该设备号管理结构指针装入全局设备号管理结构指针数组中

  该步分成两种情况：该主设备相同的插槽中已经填入过char_dev_struct结构指针和该插槽至今为空。如果至今为空，直接插入即可；如果已经有主设备号相同或%255相同的char_dev_struct指针插入过，需进行一些列设备号范围的检查

 

最终都会将当前的char_dev_struct指针填入插槽中：

 

 

cdev_init：初始化字符设备驱动程序结构

 

 

cdev_add：注册字符设备驱动

 

 

kobj_map：注册字符设备驱动的核心函数

 

 

具体图示如下：

3.用户空间是如何调用到Linux字符设备驱动的？

经过以上的分析，已经具备编写一个简单字符设备驱动的能力。但是，我们在用户空间的open，read，write，ioctl等操作方法是如何映射到驱动中file_operations实现的方法的呢？那就跟我进行如下分析：

如果不使用自动创建设备节点的话，我们正常加载驱动程序后的第一步就是创建设备文件：

mknod /dev/xxx c[b] major minor

第二步便是对该设备文件进行各种文件操作：

open/read/write/ioctl/...

先分析第一步：创建设备文件

sys_mknod

  vfs_mknod: 为设备节点创建一个目录条目对象，调用当前文件系统的mknod方法，如果文件系统为ext2，对应的方法为ext2_mknod()。

ext2_mknod

      ext2_new_inode (dir, mode); 首先为设备节点创建新的索引节点结构对象

      init_special_inode(inode, inode->i_mode, rdev); 对索引节点进行初始化

        if(S_ISCHR(mode)){  如果是字符设备

  inode->i_fop = &def_chr_fops; 字符设备操作函数组用全局默认操作函数集

  inode->i_rdev = rdev; 将字符设备的设备号赋值给索引节点对象的i_rdev自段

}

执行open/read/write/ioctl文件操作：

open: 用户空间

  sys_open：系统调用

filp_open

  do_filp_open

    dentry_open

首先为设备文件申请未使用的文件句柄号，然后动态的申请一个struct file结构与其关联起来，最终最struct file进行初始化，将设备文件索引节点的文件操作函数组结构指针i_fop赋值给struct file.f_op重要struct file.f_op = &def_chr_fops。def_chr_fops中只含open方法chrdev_open

chrdev_open会根据设备文件索引节点的i_rdev从内核对象映射结构数组指针cdev_map查到i_rdev对应的字符设备驱动(struct cdev)并将设备文件操作函数组的指针赋给struct file.f_op，最后再调用struct file.f_op.open从而驱动的open方法被调用。其他设备方法的操作过程类似。