字符设备驱动
前面内容：
1 Linux驱动—内核模块基本使用
2 Linux驱动—内核模块参数，依赖(进一步讨论）
字符设备驱动
- 字符设备驱动基础
-
- 通过mknod命令来创建一个设备文件
-
- 文件目录下添加目录项
- 字符设备驱动框架
-
- cdev结构
-
- struct file_ operations *ops; //设备对应操作
- 字符设备函数
- 实现字符设备驱动
-
- 注册设备号
- 构造并添加cdev结构对象
linux根据驱动程序实现的模型框架将设备的驱动分为了三类：
- 字符设备驱动:以字节流为单位顺序读写，不能随机访问。如，帧缓冲
( framebuffer)驱动，声卡，串口等。 - 块设备驱动:以固定大小的块(block) 为单位读写，可以随机访问。
- 网络设备驱动:网络接口是一个能够和其他主机交换数据的设备。接口通常是一个硬件设备，但也可能是个纯软件设备，比如回环(loopback)接口。网络接口由内核中的网络子系统驱动，负责发送和接收数据包。
以上驱动程序的分类是按照驱动的模型框架进行的，在现实生活中，有的设备很难被严格界定是字符设备还是块设备。甚至有的设备同时具有两类驱动，如MTD (存储技术设备，如闪存)。一个设备的驱动属于上述三类中的哪一类， 还要看具体的使用场合和最终的用途。
字符设备驱动基础
在正式学习字符设备驱动之前，我们来看看相关的基础知识。
在类UNIX系统中，有一个众所周知的说法，即“一切皆文件”，当然网络设备是一个例外。这就意味着设备最终也会体现为一个文件，应用程序要对设备进行访问，最终就会转化为对文件的访问，这样做的好处是统一了 对上层的接口。
设备文件通常位于/dev目录下，使用下面的命令可以看到很多设备文件及其相关的信息。
ls -l dev
在上面列出的信息中，前面的字母“b”表示是块设备，“c” 表示是字符设备。比如sda、sda1, sda2、 sda5就是块设备，实际上这些设备是笔者的Ubuntu主机上的一个硬盘和这个硬盘上的三个分区，其中sda表示的是整个硬盘，而sdal1、sda2、 sda5分别是三个分区。tty0、 tty1 就是终端设备，shell 程序使用这些设备来同用户进行交互。
从上面的打印信息来看，设备文件和普通文件有很多相似之处，都有相应的权限、所属的用户和组、修改时间和名字。但是设备文件会比普通文件多出两个数字，这两个数字分别是主设备号和次设备号。这两个号是设备在内核中的身份或标志，是内核区分不同设备的唯一信息。通常内核用主设备号区别一类设备，次设备号用于区分同一类设备的不同个体或不同分区。而路径名则是用户层用于区别设备信息的。
通过mknod命令来创建一个设备文件
mknod /dev/vser0 c 256 0
ls -li /dev/vser0
mknod是make node的缩写，就是创建一个节点(设备文件）。
在linux系统中，一个节点代表一个文件，创建一个文件最主要的工作就是分配一个新的节点。
包含节点号的分配（节点号在系统中是唯一的，可以区分不同的文件）。
如上面的命令的结果会出现
126695 crw-r--r-- 1 root root 256, 0 Jul 13 10:03 /dev/vser0
这里的126695就是节点号
然后初始化这个节点的（文件模式 crw-r--r-- 、访问时间 Jul 13 10:03 、用户ID 1 、组ID 13等信息
如果是设备文件需要初始化好设备号
再将这个初始化好的节点放入磁盘，还需要在文件所在目录下添加一个目录项，目录项中包含了前面分配的节点号和文件的名字，然后写入磁盘。存在磁盘上的这个节点用一个结构封装。
下面用extr2文件系统为例：
在linux3.14内核文件中
struct ext2_inode {
__le16 i_mode; /* File mode */
__le16 i_uid; /* Low 16 bits of Owner Uid */
__le32 i_size; /* Size in bytes */
__le32 i_atime; /* Access time */
__le32 i_ctime; /* Creation time */
__le32 i_mtime; /* Modification time */
__le32 i_dtime; /* Deletion Time */
__le16 i_gid; /* Low 16 bits of Group Id */
__le16 i_links_count; /* Links count */
__le32 i_blocks; /* Blocks count */
__le32 i_flags; /* File flags */
.....
__le32 i_block[EXT2_N_BLOCKS];/* Pointers to blocks */
......
};
可以从这里清楚的看出一个node节点的结构体包含的数值，前面说的节点的（文件模式 crw-r–r-- 、访问时间 Jul 13 10:03 、用户ID 1 、组ID 13等信息）都有
另外，对于i_blocks ，
- 如果是普通文件，则这个数组存放的是真正的文件数据所在的
块号（看成对文件的索引，所以ext2文件是按照索引的方式找的）； - 如果是设备文件，这个数组主要存放设备的
主次设备号
可以看下面代码：
static int __ext2_write_inode(struct inode *inode, int do_sync)
{
struct ext2_inode * raw_inode = ext2_get_inode(sb, ino, &bh);
.......
raw_inode->i_mode = cpu_to_le16(inode->i_mode);
.......
if (S_ISCHR(inode->i_mode) || S_ISBLK(inode->i_mode)) {
if (old_valid_dev(inode->i_rdev)) {
raw_inode->i_block[0] =
cpu_to_le32(old_encode_dev(inode->i_rdev));
raw_inode->i_block[1] = 0;
} else {
raw_inode->i_block[0] = 0;
raw_inode->i_block[1] =
cpu_to_le32(new_encode_dev(inode->i_rdev));
raw_inode->i_block[2] = 0;
}
}
......
}
这个struct ext2_inode * raw_inode = ext2_get_inode(sb, ino, &bh); 获得了一个要写入磁盘的ext2_inode结构，并初始化了部分成员。
这个
if (S_ISCHR(inode->i_mode) || S_ISBLK(inode->i_mode)) {
if (old_valid_dev(inode->i_rdev)) {
raw_inode->i_block[0] =
cpu_to_le32(old_encode_dev(inode->i_rdev));
raw_inode->i_block[1] = 0;
} else {
raw_inode->i_block[0] = 0;
raw_inode->i_block[1] =
cpu_to_le32(new_encode_dev(inode->i_rdev));
raw_inode->i_block[2] = 0;
}
}
判断了设备的类型，如果是字符设备或块设备，那么将设备号写入i_ block 的前2个或前3个元素，其中ionde的i_dev 成员就是设备号。而这里的inode是存在于内存中的节点，是涉及文件操作的一个非常关键的数据结构
关于该结构我们之后还要讨论，这里只需要知道写入磁盘中的ext2_ inode 结构内的成员基本上都是靠存在于内存中的inode中对应的成员初始化的即可，其中就包含了这里讲的设备号。之前我们说过，设备号有主、次设备号之分，而这里的设备号只有一个。原因是主、次设备号的位宽有限制，可以将两个设备号合并，之后我们会看到相应的代码。
在代码raw_inode->i_mode = cpu_to_le16(inode->i_mode);我们可以看到，文件的类型也被保存在了ext2_ inode 结构中，并且写在了磁盘上。
刚才还谈到需要在文件所在目录下添加目录项，这又是怎样完成的呢？
文件目录下添加目录项
linux系统中，目录本身也是一个文件，其中保存的数据是若干个目录项，目录项的主要内容就是刚才分配的节点号和文件或子目录的名字。
在ext2中，写入磁盘的目录项数据结构如下：
上面的inode就是节点号，name成员就是文件或者子目录的名字。
具体代码实现可以参考fs/ext2/namei.c”的ext2_mknod函数.
下图说明了mknod命令在ext2文件系统上完成的工作
上面的整个过程，就是mknod命令将文件名、文件类型、和主次设备号等信息保存在磁盘上
接下来我们来讨论如何打开一个文件，这是理解上层应用程序和底层驱动程序如何建立联系的关键，也是理解字符设备驱动编写方式的关键。整个过程非常烦琐，涉及的数据结构和相关的内核知识非常多。为了便于大家理解，下面将该过程进行大量简化，并以图3.2和调用流程来进行说明。
理解以下流程：
在内核中，一个进程用一个task_ struct 结构对象来表示，其中的files成员指向了一个files_ struct 结构变量,该结构中有一个fd_ array 的指针数组(用于维护打开文件的信息), 数组的每一个元素是指向file 结构的一个指针。
open 系统调用函数在内核中对应的函数是sys_ _open, sys_ open调用了do_ sys_ open,在do_ sys_ open中首先调用了getname 函数将文件名从用户空间复制到了内核空间。接着调用get__unused fd_ flags 来获取一个未使用的文件描述符，要获得该描述符，其实就是搜索files_ _struct 中的fd_ arrary 数组，查看哪一个元素没有被使用，然后返回其下标即可。接下来调用do_ filp. _open 函数来构造一-个 file结构，并初始化里面的成员。其中最重要的是将它的f _op成员指向和设备对应的驱动程序的操作方法集合的结构file_ operations , 这个结构中的绝大多数成员都是函数指针，通过file_operations 中的open函数指针可以调用驱动中实现的特定于设备的打开函数，从而完成打开的操作。do_ filp_open 函数执行成功后，调用fd_ install 函数，该函数将刚才得到的文件描述符作为访问fd_ array 数组的下标，让下标对应的元素指向新构造的file 结构。
最后系统调用返回到应用层，将刚才的数组下标作为打开文件的文件描述符返回。
do_ filp_ open函数包含的内容很多，是这个过程中最复杂的一部分，下面进行一下非
常简化的介绍。
do_ filp_ open 函数调用path _openat 来进行实际的打开操作，path_ openat调用get_empty_ filp 快速得到一一个file结构，再调用link. path walk来处理文件路径中除最后一个分量的前面部分。
举个例子来说，如果要打开/dev/vser0这个文件，那么link_path_ walk 需要处理/dev这部分，包含根目录和dev目录。
接下来path _openat 调用do_ last 来处理最后一个分量，do_ last 首先调用lookup_fast 在RCU模式下来尝试快速查找，如果第一次这么做会失败，所以继续调用lookup_ open， 而lookup_ open 首先调用lookup_dcache在目录项高速缓存中进行查找，第一次这么做也会失败，所以转而调用lookup_ real, lookup_ real则在磁盘上真正开始查找最后一个分量所对应的节点，如果是ext2文件系统，则会调用ext2_ lookup, 得到inode 的编号后，ext2_ lookup 又会调用ext2_ iget 从磁盘上获取之前使用mknod保存的节点信息。对字符设备驱动来说，这里最重要的就是将文件类型和设备号取出并填充到了内存中的inode 结构的相关成员中。
另外，通过判断文件的类型，还将inode中的f_op指针指向了def _chr_ fops, 这个结构中的
open函数指针指向了chrdev_ open, 那么自然chrdev_ open 紧接着会被调用。chrdev_ open完成的主要工作是:首先根据设备号找到添加在内核中代表字符设备的cdev (cdev 是放在cdev_ map 散列表中的，驱动加载时会构造相应的cdev并添加到这个散列表中，并且在构造这个cdev时还实现了一个操作方法集合，由cdev的ops成员指向它)，找到对应的cdev对象后,用cdev关联的操作方法集合替代之前构造的file结构中的操作方法集合，然后调用edev所关联的操作方法集合中的打开函数，完成设备真正的打开操作，这也标志着do_ filp_ open 函数基本结束。
为了下一次能够快速打开文件，内核在第一次打开一个文件或 目录时都会创建一个dentry的目录项，它保存了文件名和所对应的inode 信息，所有的dentry使用散列的方式存储在目录项高速缓存中，内核在打开文件时会先在这个高速缓存中查找相应的dentry,如果找到，则可以立即获取文件所对应的inode,否则就会在磁盘上获取。对于字符设备驱动来说，设备号、cdev 和操作方法集合至关重要，内核找到路径名所对应的inode后,要和驱动建立连接，首先要做的就是根据inode中的设备号找到cdev,然后根据cdev找到关联的操作方法集合，从而调用驱动所提供的操作方法来完成对设备的具体操作。可以说，字符设备驱动的框架就是围绕着设备号、cdev 和操作方法集合来实现的。
虽然设备的打开操作很烦琐，但是其他系统的调用过程就要简单很多。因为打开操
作返回了一个文件描述符，其他系统调用时都会以这个文件描述符作为参数传递给内核，
内核得到这个文件描述符后可以直接索引fd_ array,找到对应的file结构，然后调用相应
的方法。
字符设备驱动框架
cdev结构
视频：
描述字符设备使用cdev结构
struct cdev {
struct kobject kobj; //父类。
struct module *owner; //当前结构所属模块，THIS_ MODULE (当前模块)。
const struct file_ operations *ops; //设备对应操作。
struct list_head list; //内核链表，内核用来管理字符设备。
dev_ t dev;//设备编号(dev_ t) ，高12主设备号，低20位次设备号。
unsigned int count;//次设备号个数。
}；
内核链表就是一个struct
设备编号 高12主设备号，低20位次设备号。
如果是-crw 以-开头是普通文件
l开头是链接文件
d开头是目录文件
b开头是块设备
还得用次设备号区分不同的设备
用主设备号区分不同的程序(文件不同）
struct file_ operations *ops; //设备对应操作
struct file_ operations {
struct module *owner; //THIS MODULE.
ssize_ t (*read) (struct file *, char__ user*, size_t, loff_t *); //对应系统调用read.
ssize_ t (*write) (struct file *, const char_user*, size_ t, loff_t *); //对应系统调用write.
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); //对应系统调用ioctl.
int (*open) (struct inode *, struct file *); //对应系统调用open.
int (*release) (struct inode *, struct file *); //对应系统调用close.
[..]
};
下面介绍一下 字符设备函数
字符设备函数
分配字符设备: struct cdev *cdev_ alloc(void); //已经初始化，内存自动释放(不用free)
初始化字符设备: void cdev_ init(struct cdev *cdev, const struct file_ operations *fops); 。
注意:除使用cdev_ alloc 函数分配的字符设备以外，都可以调用该函数初始化。如初始化静态分配的字符设备。
也就是说 init初始化与调用cdev_ alloc 不能同时使用
添加设备:int cdev_ aldd(struct cdev *p, dev_ t dev, unsigned count)。
参数:
p,字符设备指针。
dev，设备编号，
count,次设备号数。 子设备
返回值:成功返回0，失败返回错误码。
删除设备: void cdev_ del(struct cdev *p)。
设备编号: 设备编号是一个32无符号整数(dev _t)， 高12主设备号，低20位次设备号。
主设备号用来识别驱动，次设备号用来区分不同的设备。
MKDEV(major, minor); //构造设备编号，转换为设备编号类型dev_t
//MKDEV是将主设备号和次设备号转换成dev_t类型的一个内核函数。
MAJOR(dev_ t); //取主设备号.
MINOR(dev_ t); //取次设备号.
下面我们来试试如何实现驱动
实现字符设备驱动
通过上面我们知道了cdev结构，但是我们要将cdev构造就要将cdev架构对象添加到内核的cdev_map散列表中
注册设备号
#include " );
MODULE_DESCRIPTION("A simple character device driver");
MODULE_ALIAS("virtual-serial");
在模块的初始化函数中：
#define VSER_MAJOR 256
#define VSER_MINOR 0
#define VSER_DEV_CNT 1 //数量1 设备号1个
#define VSER_DEV_NAME "vser"
dev = MKDEV(VSER_MAJOR, VSER_MINOR);
这里用MKDEV宏将主设备号和次设备号合并成一个一个设备号dev
在内核源码中相关宏定义如下：
#define MINORBITS 20
#define MINORMASK((1U << MINORBITS) -1)
#define MAJOR (dev) ((unsigned int)((dev)>> MINORBITS))
#define MINOR (dev)((unsigned int)((dev)&MINORMASK) )
#define MKDEV (ma,mi) (((ma) << MINORBITS)|(mi))
不难发现，该宏的作用是将主设备号左移20位和次设备号相或（12高主设备号+20低次设备号=32位设备号)
构造好设备号后
代码ret = register_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT, VSER_DEV_NAME);
它调用了register_chrdev_region将构造的设备号注册到内核中，表明该设备号已经被占用，如果有其他驱动随后要注册该设备号不行。
其函数原型:
int register chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
该函数一次可以注册多个连续的号，由count形参指定个数，由from指定起始的设备号，name用于标记主设备号的名称。该函数成功则返回0,不成功则返回负数
返回负数通常是因为要注册的设备号已经被其他的驱动抢先注册了。如果注册出错，则使用goto语句跳转到错误处理代码处执行，否则初始化函数返回0。
在卸载模块时候，已注册的号应该从内核中注销，否则再次加载该驱动时候，注册设备号操作会失败
。代码中调用unregister_chrdev_region(dev,VSER_DEV_CNT);
上面的代码再一次印证了前面所说的内容，即在模块初始化的函数中负责注册、分配内存等操作，而在模块清除函数中负责相反的操作，即注销、释放内存等操作。
以上的代码可以编译并进行测试，在Ubuntu主机上测试的步骤如下( 在ARM目标板上的测试和前面所讲的模块在ARM目标板上测试的过程类似)。
下面试试编译
make
make modules_install
sudo insmod vser.ko
或者
modprobe vser
然后要查看，先建立个文件proc，再在里面建立devices目录
主要是为了使用cat /proc/devices查看设备号
character devices如下
256号是vser，这样就相当于注册好了
使用register _chrdev_ region 注册设备号的方式称为静态注册设备号,但是该方式有一个明显的缺点，就是如果两个驱动都使用了同样的设备号，那么后加载的驱动将会失败，因为设备号冲突了。为了解决这个问题，可以使用动态分配设备号的函数，其原型如下:
int alloc_chrdev_region(dev_t*dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char*name) ;
其中，count和name形参同register_ chrdev_ region函数中相应的形参一致 。baseminor是动态分配的设备号的起始次设备号，而dev 则是分配得到的第一个设备号。 该函数成功则返回0，失败则返回负数。这样就避免了各个驱动使用相同的设备号而带来的冲突，
但是会存在另外-一个问题，那就是不能事先知道主次设备号，在使用mknod命令创建设备节点时，必须先查看/proc/devices文件才能确定主设备号(次设备号在代码中确定)，也就是要求mknod命令要后于驱动加载执行，不过这个问题在新的Linux设备模型中已经得到了比较好的解决，设备节点会自动地创建和销毁，这在后面的章节会详细描述。
成功注册了设备号后，接下来应该构造并添加cdev结构对象
构造并添加cdev结构对象
#include " );
MODULE_DESCRIPTION("A simple character device driver");
MODULE_ALIAS("virtual-serial");
代码static struct cdev vsdev;定义了一个struct cdev类型的全局变量vsdev。
下面
static struct file_operations vser_ops = {
.owner = THIS_MODULE,
};
定义了一个struct file_operations类型的全局变量vser_ops
字符设备操作结构很关键
其中，vsdev表示一个具体的字符设备，而vser_ops是操作该设备的一些方法。
代码cdev_init(&vsdev, &vser_ops);调用cdev_init 初始化了vsdev中的部分成员。
另外一个最重要的操作就是将vsdev中的ops指针指向了vser_ ops,这样通过
设备号找到vsdev对象后，就能找到相关的操作方法集合，并调用其中的方法。
cdev_ init函数的原型如下，第一个参数是要初始化的cdev地址，第二个参数是设备操作方法集合的结构地址。
void cdev_init(struct cdev*cdev,const struct file_operations*fops) ;
继续代码
static struct file_operations vser_ops = {
.owner = THIS_MODULE,
};
static int __init vser_init(void)
{
··············
vsdev.owner = THIS_MODULE;
将owner成员赋值为THIS_MODULE，owner是一个指向struct module类型变量的指针。
THIS_MODULE是包含驱动的模块中的struct module类型对象的地址，类似于c++中的this指针。
这样就能通过vsdev或者vser_fops找到对应的模块
在对前面两个对象进行访问时都要调用类似于try_module_get的函数增加模块的引用计数，因为在这两个对象使用的过程中，模块是不能被卸载的，模块被卸载的前提条件是引用计数为0。
cdev对象初始化以后，就应该添加到内核中的cdev_ map散列表中，调用的函数是cdev_ add,其函数原型如下
int cdev add(struct cdev *p, dev_ t dev, unsigned count) ;
cdev_ add 函数的主要工作是将主设备号通过对255取余，将余数作为cdev_ map数组的下标索引，然后构造一个probe对象，并让data指向要添加的cdev结构地址,然后加入到链表当中
该函数的最后一个参数count指定了被添加的cdev可以管理多少个设备。这里需要特别注意的是，参数p只指向一个cdev对象，但该对象可以同时管理多个设备，由count 的值来决定具体有多少个设备，那么cdev和设备就不是一 一对应的关系。
这样，对于一个驱动支持多个设备的情况，我们可以采用两种方法来实现，
- 第一种方法是为每一个设备分配一个cdev对象，每次调用cdev_add 添加一个cdev对象，直到多个cdev对象全部被添加到内核中
- 第二种方法是只构造一个cdev对象，但在调用cdev. add 时，指定添加的
cdev可以管理多个设备。
这两种方法我们在后面的例子中都会看到。以上是简化的讨论，
实际的实现要复杂一些，如果要详细了解，请参考cdev_ add 的内核源码。
在初始化函数中添加了cdev对象，那么在清除函数中自然就应该删除该cdev对象，代码 cdev_del(&vsdev);演示了这一操作， 实现的函数是cdev_del, 其函数原型如下。
void edev_ del (struct cdev *p);
该函数的作用就是根据cdev找到散列表中的probe,并进行删除。
在上面的例子中，cdev是静态的，我们也可以动态分配，对应的函数是cdev_alloc。
struct cdev *cdev_ alloc (void);
该函数成功则返回动态分配的cdev 对象地址，失败则返回NULL。
下面试试编译加载
从上面的操作可以看到，在未加载驱动之前，使用cat命令读取/dev/vser0设备，错误信息是设备找不到，这是因为找不到和设备号对应的cdev对象。
在加载驱动后，cat命令的错误信息变成了参数无效，说明驱动工作了，只是还未实现具体的设备操作的方法。