字符设备驱动程序设计

1.设备描述结构cdev

在任何一种驱动模型中，设备都会用内核中的一种结构来描述。我们的字符设备在内核中使用struct cdev来描述。

struct cdev{
     struct kobject kobj;
     struct module *owner;
     const struct file_operations *ops;//设备操作集
     struct list_head list;
     dev_t dev;//设备号
     unsigned int count；//设备数量
}；

1.设备号

• 设备号

  • 主设备号：设备文件通过主设备号来连接驱动程序，其反应的是设备的类型

  • 次设备号：同一类型的设备文件通过次设备号来区分，连接驱动程序
    例如：串口程序对应三个串口，每个串口的主设备号一样次设备号不同

  • 总结：即设备驱动程序主设备号来判断是哪一类型的设备文件，通过次设备号来判断是哪一个设备文件。

• 设备号——操作
  linux内核中使用dev_t类型来定义设备号，dev_t这种类型其实质为32位的unsigned int，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号。

  • 如果知道主设备号，次设备号，怎么组合合成dev_t类型？
    dev_t dev = MKDEV(主设备号，次设备号)

  • 如何从dev_t中分解出主设备号?
    主设备号=MAJOR(dev_t dev)

  • 如何从dev_t中分解出次设备号?
    主设备号=MINOR(dev_t dev)

• 设备号——分配
  如何为设备分配一个主设备号？

  • 静态申请
    开发者自己选择一个数字作为主设备号，然后通过函数register_chrdev_region向内核申请使用。
    缺点：如果申请使用的设备号已经被内核中的其他驱动使用了，则申请失败。

  • 动态分配
    使用alloc_chrdev_region由内核分配一个可用的主设备号。
    优点：因为内核知道哪些已经被使用了，所以不会导致分配到已经使用的号。

• 设备号的注销
  不管使用哪种方法分配设备号，都应该在驱动退出时，使用unregister_chrdev_region函数释放这些设备号。

1.2 操作函数集：

• linux内核中的操作函数集
  

• 操作函数集
  struct file_operations是一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作。结构中的函数指针指向驱动中的函数，这些函数实现一个针对设备的操作，对于不支持的操作则设置函数指针为NULL。

struct file_operations dev_fops = ｛
.llseek = NULL,
.read = dev_read,
.write = dev_write,
.ioctl = dev_ioctl,
.open =dev_open,
.release = dev_release,
｝;

2.字符设备初始化

2.1设备描述结构

• 描述结构——分配
  cdev变量的定义可以采用静态和动态两种办法

  • 静态分配
    struct cdev mdev；

  • 动态分配
    struct cdev *pdev = cdev_alloc()；

• 描述结构——初始化

  struct cdev的初始化使用cdev_init函数来完成。

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

参数：
cdev：待初始化的cdev结构
fops：设备对应的操作函数集

• 描述结构——注册：

  字符设备的注册使用cdev_add函数来完成。

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

参数：
p:待添加到内核的字符设备结构
dev：设备号
count：该类设备的设备的个数

• 硬件初始化
  根据硬件手册进行硬件初始化

2.2设备操作原型

学习方向：这些设备操作方法在什么时候调用？完成什么样的工作？

• 设备操作方法

  • int （*open）（struct inode*，struct file *）
    打开设备，响应open系统

  • int （release）（struct inode ，struct file *）：
    关闭设备，响应close系统调用

  -loff_t （*llseek）（struct file*，loff_t, int）
  重定位读写指针响应lseek系统调用

  • ssize_t（read）（struct file，char __user*, size_t, loff_t *）
    从设备读取数据，响应read系统调用

  • ssize_t（*write）（struct file*，const char __user*, size_t, loff_t*）
    向设备中写入数据，响应write系统调用

• Srtuct file
  在linux系统中，每一个打开的文件，在内核中都会关联一个struct file，它由内核在打开文件时创建，在文件关闭后释放。

  • 重要成员：
    loff_t f_pos //文件读写指针
    struct file_operations *f_op //该文件所对应的操作

• Struct inode

  每一个存在于文件系统里面的文件都会关联一个inode结构，该结构主要用来记录文件物理上的信心。因此，他和代表打开的文件的file结构是不同。一个文件没有被打开时不会关联file结构，但是却会关联一个inode结构。

  重要成员
  dev_t i_rdev:设备号

• 设备操作——open
  open设备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：

  • 标明次设备号
  • 启动设备

• 设备操作——release
  release方法的作用正好与open相反。这个设备方法有时也称为close，它应该：关闭设备

• 设备操作——read
  read设备方法通常完成2件事情：

  • 从设备中读取数据（属于硬件访问类操作）
  • 将读取到的数据返回给应用程序

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

    参数分析：
    filp ：与字符设备文件关联的file结构指针，由内核创建。
    buff ：从设备读取到的数据，需要保存到的位置。由read系统调用提供该参数。
    count：请求传输的数据量，由read系统调用提供该参数。
    offp : 文件的读写位置，由内核从file结构中取出后，传递进来。

    注意：buff参数是来源于用户空间的指针，这类指针都不能被内核代码直接引用，必须使用专门的函数

  • int copy_from_user(void *to, const void __user *from, int n)

  • int copy_to_user(void __user *to, const void *from, int n)

  

• 设备操作——write
  write设备方法通常完成两件事：

  • 从应用程序提供的地址中取出数据

  • 将数据写入设备（属于硬件访问类操作）

  • ssize_t (* write) (struct file *,const char __user *,size_t, loff_t * )
    其参数类似于read

2.3驱动注销

当我们从内核中卸载驱动程序的时候，需要使用cdev_del函数来完成字符驱动设备的注销

3.字符设备驱动程序编写实例：

linux字符驱动模型

运行于mini2440平台

• 驱动程序

#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/slab.h>


int dev1_registers[5];
int dev2_registers[5];

struct cdev cdev;
dev_t devno;

/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{

    /*获取次设备号*/
    int num = MINOR(inode->i_rdev);

    if (num==0)
        filp->private_data = dev1_registers;
    else if(num == 1)
        filp->private_data = dev2_registers;
    else
        return -ENODEV;  //无效的次设备号

    return 0;
}

/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  return 0;
}

/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
  unsigned long p =  *ppos;
  unsigned int count = size;
  int ret = 0;
  int *register_addr = filp->private_data; //获取设备的寄存器基地址

  /*判断读位置是否有效*/
  if (p >= 5*sizeof(int))
    return 0;
  if (count > 5*sizeof(int) - p)
    count = 5*sizeof(int) - p;

  /*读数据到用户空间*/
  if (copy_to_user(buf, register_addr+p, count))
  {
    ret = -EFAULT;
  }
  else
  {
    *ppos += count;
    ret = count;
  }

  return ret;
}

/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
  unsigned long p =  *ppos;
  unsigned int count = size;
  int ret = 0;
  int *register_addr = filp->private_data; //获取设备的寄存器地址

  /*分析和获取有效的写长度*/
  if (p >= 5*sizeof(int))
    return 0;
  if (count > 5*sizeof(int) - p)
    count = 5*sizeof(int) - p;

  /*从用户空间写入数据*/
  if (copy_from_user(register_addr + p, buf, count))
    ret = -EFAULT;
  else
  {
    *ppos += count;
    ret = count;
  }

  return ret;
}

/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
    loff_t newpos;

    switch(whence) {
      case SEEK_SET:
        newpos = offset;
        break;

      case SEEK_CUR:
        newpos = filp->f_pos + offset;
        break;

      case SEEK_END:
        newpos = 5*sizeof(int)-1 + offset;
        break;

      default:
        return -EINVAL;
    }
    if ((newpos<0) || (newpos>5*sizeof(int)))
         return -EINVAL;

    filp->f_pos = newpos;
    return newpos;

}

/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
  .llseek = mem_llseek,
  .read = mem_read,
  .write = mem_write,
  .open = mem_open,
  .release = mem_release,
};

/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
  /*初始化cdev结构*/
  cdev_init(&cdev, &mem_fops);

  /* 注册字符设备 */
  alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
  cdev_add(&cdev, devno, 2);
}

/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
  cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/
  unregister_chrdev_region(devno, 2); /*释放设备号*/
}

MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);