一、linux系統將設備分爲3類：字符設備、塊設備、網絡設備。使用驅動程序：
- 字符設備：是指只能一個字節一個字節讀寫的設備，不能隨機讀取設備內存中的某一數據，讀取數據需要按照先後數據。字符設備是面向流的設備，常見的字符設備有鼠標、鍵盤、串口、控制檯和LED設備等。
- 塊設備：是指可以從設備的任意位置讀取一定長度數據的設備。塊設備包括硬盤、磁盤、U盤和SD卡等。
每一個字符設備或塊設備都在/dev目錄下對應一個設備文件。linux用戶程序通過設備文件（或稱設備節點）來使用驅動程序操作字符設備和塊設備。
二、字符設備、字符設備驅動與用戶空間訪問該設備的程序三者之間的關係。
如圖，在Linux內核中使用cdev結構體來描述字符設備，通過其成員dev_t來定義設備號（分爲主、次設備號）以確定字符設備的唯一性。通過其成員file_operations來定義字符設備驅動提供給VFS的接口函數，如常見的open()、read()、write()等。
在Linux字符設備驅動中，模塊加載函數通過register_chrdev_region( ) 或alloc_chrdev_region( )來靜態或者動態獲取設備號，通過cdev_init( )建立cdev與file_operations之間的連接，通過cdev_add( )向系統添加一個cdev以完成註冊。模塊卸載函數通過cdev_del( )來註銷cdev，通過unregister_chrdev_region( )來釋放設備號。
用戶空間訪問該設備的程序通過Linux系統調用，如open( )、read( )、write( )，來“調用”file_operations來定義字符設備驅動提供給VFS的接口函數。
三、字符設備驅動模型
1. 驅動初始化
1.1. 分配cdev
在2.6的內核中使用cdev結構體來描述字符設備，在驅動中分配cdev,主要是分配一個cdev結構體與申請設備號，以按鍵驅動爲例：
1 /*……*/ 2
/* 分配cdev*/ 3
struct cdev btn_cdev; 4
/*……*/ 5
/* 1.1 申請設備號*/ 6
if(major){ 7
//靜態 8 dev_id = MKDEV(major, 0); 9 register_chrdev_region(dev_id, 1,
"button");10 } else
{11 //動態12 alloc_chardev_region(&dev_id, 0, 1,
"button");13 major = MAJOR(dev_id);14 }15 /*……*/ |
從上面的代碼可以看出，申請設備號有動靜之分，其實設備號還有主次之分。
在Linux中以主設備號用來標識與設備文件相連的驅動程序。次編號被驅動程序用來辨別操作的是哪個設備。cdev 結構體的 dev_t 成員定義了設備號，爲 32 位，其中高 12 位爲主設備號，低20 位爲次設備號。
設備號的獲得與生成：
獲得：主設備號：MAJOR(dev_t dev);
次設備號：MINOR(dev_t dev);
生成：MKDEV(int major,int minor);
設備號申請的動靜之分：
靜態：
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1
2
|
1 int
register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const
char *name)；2 /*功能：申請使用從from開始的count 個設備號(主設備號不變，次設備號增加）*/ |
靜態申請相對較簡單，但是一旦驅動被廣泛使用,這個隨機選定的主設備號可能會導致設備號衝突，而使驅動程序無法註冊。
動態：
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1
2
|
1 int
alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const
char *name)；2 /*功能：請求內核動態分配count個設備號，且次設備號從baseminor開始。*/ |
動態申請簡單，易於驅動推廣，但是無法在安裝驅動前創建設備文件（因爲安裝前還沒有分配到主設備號）。
1.2. 初始化cdev
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1
2
|
1 void
cdev_init(struct
cdev *, struct
file_operations *); 2 cdev_init()函數用於初始化 cdev 的成員，並建立 cdev 和 file_operations 之間的連接。 |
1.3. 註冊cdev
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1
2
|
1 int
cdev_add(struct
cdev *, dev_t, unsigned);2 cdev_add()函數向系統添加一個 cdev，完成字符設備的註冊。 |
1.4. 硬件初始化
硬件初始化主要是硬件資源的申請與配置，以TQ210的按鍵驅動爲例：
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1
2
3
4
5
|
1 /* 1.4 硬件初始化*/2 //申請GPIO資源3 gpio_request(S5PV210_GPH0(0),
"GPH0_0");4 //配置輸入5 gpio_direction_input(S5PV210_GPH0(0)); |
2.實現設備操作
用戶空間的程序以訪問文件的形式訪問字符設備，通常進行open、read、write、close等系統調用。而這些系統調用的最終落實則是file_operations結構體中成員函數，它們是字符設備驅動與內核的接口。以TQ210的按鍵驅動爲例：
1 /*設備操作集合*/2 static
struct file_operations btn_fops = {3 .owner = THIS_MODULE,4 .open = button_open,5 .release = button_close,6 .read = button_read7 }; |
上面代碼中的button_open、button_close、button_read是要在驅動中自己實現的。file_operations結構體成員函數有很多個，下面就選幾個常見的來展示：
2.1. open（）函數
原型：
1 int(*open)(struct
inode *, struct
file*); 2 /*打開*/ |
2.2. read( )函數
原型：
ssize_t(*read)(struct
file *, char
__user*, size_t, loff_t*);
/*用來從設備中讀取數據，成功時函數返回讀取的字節數，出錯時返回一個負值*/ |
2.3. write( )函數
原型：
1 ssize_t(*write)(struct
file *, const
char__user *, size_t, loff_t*);2 /*向設備發送數據，成功時該函數返回寫入的字節數。如果此函數未被實現，3 當用戶進行write()系統調用時，將得到-EINVAL返回值*/ |
2.4. close( )函數
原型：
1 int(*release)(struct
inode *, struct
file*); 2 /*關閉*/ |
2.5. 補充說明
1. 在Linux字符設備驅動程序設計中，有3種非常重要的數據結構：struct file、struct inode、struct file_operations。
struct file 代表一個打開的文件。系統中每個打開的文件在內核空間都有一個關聯的struct file。它由內核在打開文件時創建, 在文件關閉後釋放。其成員loff_t f_pos 表示文件讀寫位置。
struct inode 用來記錄文件的物理上的信息。因此,它和代表打開文件的file結構是不同的。一個文件可以對應多個file結構,但只有一個inode結構。其成員dev_t i_rdev表示設備號。
struct file_operations 一個函數指針的集合，定義能在設備上進行的操作。結構中的成員指向驅動中的函數,這些函數實現一個特別的操作, 對於不支持的操作保留爲NULL。
2. 在read( )和write( )中的buff 參數是用戶空間指針。因此,它不能被內核代碼直接引用，因爲用戶空間指針在內核空間時可能根本是無效的——沒有那個地址的映射。因此，內核提供了專門的函數用於訪問用戶空間的指針：
1 unsigned long
copy_from_user(void
*to, const
void __user *from, unsigned long
count);2 unsigned long
copy_to_user(void
__user *to, const
void *from, unsigned
long count); |
3. 驅動註銷
3.1. 刪除cdev
在字符設備驅動模塊卸載函數中通過cdev_del()函數向系統刪除一個cdev，完成字符設備的註銷。
|
1
2
3
4
|
/*原型：*/void
cdev_del(struct
cdev *);/*例：*/cdev_del(&btn_cdev); |
3.2. 釋放設備號
在調用cdev_del()函數從系統註銷字符設備之後，unregister_chrdev_region()應該被調用以釋放原先申請的設備號。
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1
2
3
4
|
/*原型：*/void
unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);/*例：*/unregister_chrdev_region(MKDEV(major, 0), 1); |
四、字符設備驅動程序基礎:
4.1 cdev結構體
在Linux2.6 內核中，使用cdev結構體來描述一個字符設備，cdev結構體的定義如下：
1 struct
cdev { 2
3
struct kobject kobj; 4
5
struct module *owner;
/*通常爲THIS_MODULE*/ 6
7
struct file_operations *ops;
/*在cdev_init()這個函數裏面與cdev結構聯繫起來*/ 8
9
struct list_head list;10 11 dev_t dev;
/*設備號*/12 13 unsigned
int count;14 15 }； |
cdev 結構體的dev_t 成員定義了設備號，爲32位，其中12位是主設備號，20位是次設備號，我們只需使用二個簡單的宏就可以從dev_t 中獲取主設備號和次設備號：
MAJOR(dev_t dev)
MINOR(dev_t dev)
相反地，可以通過主次設備號來生成dev_t：
MKDEV(int major,int minor)
4.2 Linux 2.6內核提供一組函數用於操作cdev 結構體
1：void
cdev_init(struct
cdev*,struct
file_operations *);2：struct
cdev *cdev_alloc(void);3：int
cdev_add(struct
cdev *,dev_t,unsigned);4：void
cdev_del(struct
cdev *); |
其中（1）用於初始化cdev結構體，並建立cdev與file_operations 之間的連接。（2）用於動態分配一個cdev結構，（3）向內核註冊一個cdev結構，（4）向內核註銷一個cdev結構
4.3 Linux 2.6內核分配和釋放設備號
在調用cdev_add()函數向系統註冊字符設備之前，首先應向系統申請設備號，有二種方法申請設備號，一種是靜態申請設備號：
5：int register_chrdev_region(dev_t from,unsigned count,const char *name)
另一種是動態申請設備號：
6：int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned baseminor,unsigned count,const char *name);
其中，靜態申請是已知起始設備號的情況，如先使用cat /proc/devices 命令查得哪個設備號未事先使用（不推薦使用靜態申請）；動態申請是由系統自動分配，只需設置major = 0即可。
相反地，在調用cdev_del()函數從系統中註銷字符設備之後，應該向系統申請釋放原先申請的設備號，使用：
7：void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count);
4.4 cdev結構的file_operations結構體
這個結構體是字符設備當中最重要的結構體之一，file_operations 結構體中的成員函數指針是字符設備驅動程序設計的主體內容，這些函數實際上在應用程序進行Linux 的 open()、read()、write()、close()、seek()、ioctl()等系統調用時最終被調用。
1 struct
file_operations { 2
3
/*擁有該結構的模塊計數，一般爲THIS_MODULE*/ 4
struct module *owner; 5
6
/*用於修改文件當前的讀寫位置*/ 7 loff_t (*llseek) (struct
file *, loff_t, int); 8
9
/*從設備中同步讀取數據*/10 ssize_t (*read) (struct
file *, char
__user *, size_t, loff_t *);11 12 /*向設備中寫數據*/13 ssize_t (*write) (struct
file *, const
char __user *, size_t, loff_t *);14 15 16 ssize_t (*aio_read) (struct
kiocb *, const
struct iovec *, unsigned long, loff_t);17 ssize_t (*aio_write) (struct
kiocb *, const
struct iovec *, unsigned long, loff_t);18 int
(*readdir) (struct
file *, void
*, filldir_t);19 20 /*輪詢函數，判斷目前是否可以進行非阻塞的讀取或寫入*/21 unsigned
int (*poll) (struct
file *, struct
poll_table_struct *);22 23 /*執行設備的I/O命令*/24 int
(*ioctl) (struct
inode *, struct
file *, unsigned int, unsigned
long);25 26 27 long
(*unlocked_ioctl) (struct
file *, unsigned int, unsigned
long);28 long
(*compat_ioctl) (struct
file *, unsigned int, unsigned
long);29 30 /*用於請求將設備內存映射到進程地址空間*/31 int
(*mmap) (struct
file *, struct vm_area_struct *);32 33 /*打開設備文件*/34 int
(*open) (struct
inode *, struct
file *);35 int
(*flush) (struct
file *, fl_owner_t id);36 37 /*關閉設備文件*/38 int
(*release) (struct
inode *, struct
file *);39 40 41 int
(*fsync) (struct
file *, struct
dentry *, int datasync);42 int
(*aio_fsync) (struct
kiocb *, int
datasync);43 int
(*fasync) (int,
struct file *,
int);44 int
(*lock) (struct
file *, int,
struct file_lock *);45 ssize_t (*sendpage) (struct
file *, struct
page *, int,
size_t, loff_t *,
int);46 unsigned
long (*get_unmapped_area)(struct
file *, unsigned long, unsigned
long, unsigned
long, unsigned long);47 int
(*check_flags)(int);48 int
(*flock) (struct
file *, int,
struct file_lock *);49 ssize_t (*splice_write)(struct
pipe_inode_info *, struct
file *, loff_t *, size_t, unsigned
int);50 ssize_t (*splice_read)(struct
file *, loff_t *, struct
pipe_inode_info *, size_t, unsigned
int);51 int
(*setlease)(struct
file *, long,
struct file_lock **);52 }; |
4.5 file結構
file 結構代表一個打開的文件，它的特點是一個文件可以對應多個file結構。它由內核再open時創建，並傳遞給在該文件上操作的所有函數，直到最後close函數，在文件的所有實例都被關閉之後，內核才釋放這個數據結構。
在內核源代碼中，指向 struct file 的指針通常比稱爲filp，file結構有以下幾個重要的成員：
1 struct
file{ 2
3 mode_t fmode;
/*文件模式，如FMODE_READ，FMODE_WRITE*/ 4
5 ...... 6
7 loff_t f_pos;
/*loff_t 是一個64位的數，需要時，須強制轉換爲32位*/ 8
9 unsigned
int f_flags;
/*文件標誌，如：O_NONBLOCK*/10 11 struct
file_operations *f_op;12 13 void
*private_data; /*非常重要，用於存放轉換後的設備描述結構指針*/14 15 .......16 17 }; |
4.6 inode 結構
內核用inode 結構在內部表示文件，它是實實在在的表示物理硬件上的某一個文件，且一個文件僅有一個inode與之對應，同樣它有二個比較重要的成員：
1 struct
inode{ 2
3 dev_t i_rdev;
/*設備編號*/ 4
5
struct cdev *i_cdev;
/*cdev 是表示字符設備的內核的內部結構*/ 6
7 }; 8
9 可以從inode中獲取主次設備號，使用下面二個宏：10 11 /*驅動工程師一般不關心這二個宏*/12 13 unsigned
int imajor(struct
inode *inode);14 15 unsigned
int iminor(struct
inode *inode); |
4.7字符設備驅動模塊加載與卸載函數
在字符設備驅動模塊加載函數中應該實現設備號的申請和cdev 結構的註冊，而在卸載函數中應該實現設備號的釋放與cdev結構的註銷。
我們一般習慣將cdev內嵌到另外一個設備相關的結構體裏面，該設備包含所涉及的cdev、私有數據及信號量等等信息。常見的設備結構體、模塊加載函數、模塊卸載函數形式如下：
1/*設備結構體*/ 2
3
struct xxx_dev{ 4
5
struct cdev cdev; 6
7
char *data; 8
9
struct semaphore sem;10 11 ......12 13 };14 15 16 17 /*模塊加載函數*/18 19 static
int __init xxx_init(void)20 21 {22 23 .......24 25 初始化cdev結構;26 27 申請設備號；28 29 註冊設備號；30 31 32 33 申請分配設備結構體的內存；
/*非必須*/34 35 }36 37 38 39 /*模塊卸載函數*/40 41 static
void __exit xxx_exit(void)42 43 {44 45 .......46 47 釋放原先申請的設備號；48 49 釋放原先申請的內存；50 51 註銷cdev設備；52 53 }54 55 |
4.8字符設備驅動的 file_operations 結構體重成員函數
1 /*讀設備*/ 2
3 ssize_t xxx_read(struct
file *filp, char
__user *buf, size_t
count, loff_t *f_pos) 4
5 { 6
7 ...... 8
9 使用filp->private_data獲取設備結構體指針；10 11 分析和獲取有效的長度；12 13 /*內核空間到用戶空間的數據傳遞*/14 15 copy_to_user(void
__user *to, const
void *from, unsigned
long count);16 17 ......18 19 }20 21 /*寫設備*/22 23 ssize_t xxx_write(struct
file *filp, const
char __user *buf,
size_t count, loff_t *f_pos)24 25 {26 27 ......28 29 使用filp->private_data獲取設備結構體指針；30 31 分析和獲取有效的長度；32 33 /*用戶空間到內核空間的數據傳遞*/34 35 copy_from_user(void
*to, const
void __user *from, unsigned long
count);36 37 ......38 39 }40 41 /*ioctl函數*/42 43 static
int xxx_ioctl(struct
inode *inode,struct
file *filp,unsigned int
cmd,unsigned long
arg)44 45 {46 47 ......48 49 switch(cmd){50 51 case
xxx_CMD1:52 53 ......54 55 break;56 57 case
xxx_CMD2:58 59 .......60 61 break;62 63 default:64 65 return
-ENOTTY; /*不能支持的命令*/66 67 }68 69 return
0;70 71 } |
4.9、字符設備驅動文件操作結構體模板
1 struct
file_operations xxx_fops = { 2
3 .owner = THIS_MODULE, 4
5 .open = xxx_open, 6
7 .read = xxx_read, 8
9 .write = xxx_write,10 11 .close = xxx_release,12 13 .ioctl = xxx_ioctl,14 15 .lseek = xxx_llseek,16 17 };18 19 上面的寫法需要注意二點，一：結構體成員之間是以逗號分開的而不是分號，結構體字段結束時最後應加上分號。 |
五、字符設備驅動小結：
字符設備是3大類設備（字符設備、塊設備、網絡設備）中較簡單的一類設備，其驅動程序中完成的主要工作是初始化、添加和刪除cdev結構體，申請和釋放設備號，以及填充file_operation結構體中操作函數，並實現file_operations結構體中的read()、write()、ioctl()等重要函數。如圖所示爲cdev結構體、file_operations和用戶空間調用驅動的關係。
