字符設備驅動模型

編譯/安裝驅動程序

在Linux系統中，驅動程序通常採用內核模塊的程序結構來進行編碼。因此，編譯/安裝一個驅動程序，其實質就是編譯/安裝一個內核模塊。

字符設備文件

通過字符設備文件，應用程序可以使用相應的字符設備驅動程序來控制字符設備。創建字符設備文件的方法：
使用mknod命令：
mknod /dev/文件名 c 主設備號次設備號
“c”代表字符設備

查看主設備號：
cat /proc/devices

注意：編寫應用程序之後，爲防止開發板系統中沒有應用程序運行所需的動態鏈接庫，在對應用程序進行編譯時，需要採用靜態編譯方式，加上 -static

編寫應用程序代碼

寫入數據：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
    int fd = 0;
    int src = 2013;

    /*打開設備文件*/
    fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);

    /*寫入數據*/
    write(fd, &src, sizeof(int));

    /*關閉設備*/
    close(fd);

    return 0;   
}

讀出數據：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
    int fd = 0;
    int dst = 0;

    /*打開設備文件*/
    fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);

    /*寫入數據*/
    read(fd, &dst, sizeof(int));

    printf("dst is %d\n",dst);

    /*關閉設備*/
    close(fd);

    return 0;   
}

設備描述結構

在任何一種驅動模型中，設備都會用內核中的一種結構來描述。我們的字符設備在內核中使用 struct cdev 來描述。

struct cdev {
    struct kobject kobj;
    struct module *owner;
    const struct file_operations *ops; //設備操作集
    struct list_head list;
    dev_t dev; //設備號
    unsigned int count; //設備數
};

主設備號：
設備文件對應一個數字，驅動對應一個數字，兩者相同才能工作。

次設備號：
同一種設備驅動程序，可能對應多個設備文件，有多臺該種設備，可以通過次設備號來區分同種設備的不同設備文件。

對設備號的操作：
Linux 內核中使用 dev_ t 類型來定義設備號，dev_t這種類型其實質爲32位的 unsigned int，其中高12位爲主設備號，低20位爲次設備號。

1、如果知道主設備號，次設備號，組合成dev_t類型
dev_t dev = MKDEV(主設備號，次設備號);

2、如何從dev_t中分解出主設備號
主設備號 = MAJOR(dev_t dev);

3、如何從dev_t中分解出次設備號
次設備號 = MINOR(dev_t dev);

設備號的分配：
1、靜態申請：
開發者自己選擇一個數字作爲主設備號，然後通過函數 register_ chrdev_ region 向內核申請使用。
缺點：如果申請使用的設備號已經被內核中的其他驅動使用了，則申請失敗。

2、動態分配：
使用 alloc_ chrdev_ region 由內核分配一個可用的主設備號。
優點：因爲內核知道哪些號已經被使用了，所以不會導致分配到已經被使用的號。

設備號的註銷
不論使用何種方法分配設備號，都應該在驅動退出時，使用 unregister_ chrdev_ region 函數釋放這些設備號。

操作函數集
又叫做：設備方法。
Struct file_operations是一個函數指針的集合，定義能在設備上進行的操作。結構中的函數指針指向驅動中的函數，這些函數實現一個針對設備的操作，對於不支持的操作則設置函數指針爲 NULL。
例如：

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

/*
上面的這種方式稱爲指定初始化(designated initializer)，採用這種方式的優勢就在於由此初始化不必嚴格按照定義時的順序。
*/

設備驅動模型

字符設備驅動初始化

設備描述結構的分配
cdev變量的定義可以採用靜態和動態兩種辦法：
靜態分配：
struct cdev mdev;
動態分配：
struct cdev *pdev = cdev_alloc();

設備描述結構的初始化
struct cdev的初始化使用 cdev_init函數 來完成。

cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
//參數：
//cdev: 待初始化的cdev結構
//fops: 設備對應的操作函數集

設備描述結構的註冊
字符設備的註冊使用cdev_add函數來完成。

cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
//參數：
//p: 待添加到內核的字符設備結構
//dev: 設備號
//count: 該類設備的設備個數

實現設備操作（設備方法）

int (*open) (struct inode *, struct file *)
//打開設備，響應open系統調用，open完成如下工作：標明次設備號，啓動設備

int (*release) (struct inode *, struct file *);
//關閉設備，響應close系統調用

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int)
//重定位讀寫指針，響應lseek系統調用

ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)
//從設備讀取數據，響應read系統調用

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)
//向設備寫入數據，響應write系統調用

Struct file
在Linux系統中，每一個打開的文件，在內核中都會關聯一個struct file，它由內核在打開文件時創建，在文件關閉後釋放。

重要成員：

loff_t f_pos  /*文件讀寫指針*/
struct file_operations *f_op  /*該文件所對應的操作*/

Struct inode
每一個存在於文件系統裏面的文件都會關聯一個inode 結構，該結構主要用來記錄文件物理上的信息。因此，它和代表打開文件的file結構是不同的。一個文件沒有被打開時不會關聯file結構，但是卻會關聯一個inode 結構。

重要成員：

dev_t i_rdev; //設備號

read設備方法：
通常完成2件事情：
從設備中讀取數據(屬於硬件訪問類操作)；
將讀取到的數據返回給應用程序；

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


//參數分析：
//filp：與字符設備文件關聯的file結構指針, 由內核創建。
//buff : 從設備讀取到的數據，需要保存到的位置。由read系統調用提供該參數。
//count: 請求傳輸的數據量，由read系統調用提供該參數。
//offp: 文件的讀寫位置，由內核從file結構中取出後，傳遞進來。

buff參數是來源於用戶空間的指針，這類指針都不能被內核代碼直接引用，必須使用專門的函數。

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

驅動註銷

當我們從內核中卸載驅動程序的時候，需要使用cdev_del函數來完成字符設備的註銷。

驅動程序代碼舉例

#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;

/*文件打開函數*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    /*獲取次設備號*/
    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;  //無效的次設備號

    return 0; 
}

/*文件釋放函數*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    return 0;
}

/*讀函數*/
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; /*獲取設備的寄存器基地址*/

    /*判斷讀位置是否有效*/
    if (p >= 5*sizeof(int))
        return 0;
    if (count > 5*sizeof(int) - p)
        count = 5*sizeof(int) - p;

    /*讀數據到用戶空間*/
    if (copy_to_user(buf, register_addr+p, count))
    {
        ret = -EFAULT;
    }
    else
    {
        *ppos += count;
        ret = count;
    }

    return ret;
}

/*寫函數*/
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; /*獲取設備的寄存器地址*/

    /*分析和獲取有效的寫長度*/
    if (p >= 5*sizeof(int))
        return 0;
    if (count > 5*sizeof(int) - p)
        count = 5*sizeof(int) - p;

    /*從用戶空間寫入數據*/
    if (copy_from_user(register_addr + p, buf, count))
        ret = -EFAULT;
    else
    {
        *ppos += count;
        ret = count;
    }

    return ret;
}

/* seek文件定位函數 */
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;
}

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

/*設備驅動模塊加載函數*/
static int memdev_init(void)
{
    /*初始化cdev結構*/
    cdev_init(&cdev, &mem_fops);

    /* 註冊字符設備 */
    alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
    cdev_add(&cdev, devno, 2);
}

/*模塊卸載函數*/
static void memdev_exit(void)
{
    cdev_del(&cdev);   /*註銷設備*/
    unregister_chrdev_region(devno, 2); /*釋放設備號*/
}

MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);

ZhY_Rening

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