linux字符設備驅動學習筆記1

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                                《常識》
￥應用程序----->系統內核----->設備驅動----->硬件設備
￥設備驅動既是系統內核的下屬，又是硬件設備的老大。 
￥在inux系統中用一個文件來代表一個設備。這個文件就叫設備文件。設備驅動的責任是將應用程序對設備文件
的打開、讀、寫、定位等操作轉化爲對硬件設備的打開、讀、寫、定位等操作。而對於任何硬件設備，應用程序
只需利用這些基本操作就可以完全控制它!
￥編寫linux設備驅動需要的知識結構：
1、40%的設計模式相關知識。設計模式是系統內核限定的，做別人的下屬就得按照別人的規矩辦事。
2、30%的內核工作原理相關知識。內核是你領導，領會領導意圖才能把事情辦好。
3、30%的硬件相關知識。控制好硬件是你的的本質工作，你得把你的小弟管理好.
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一、設備文件
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什麼是設備文件？設備文件有什麼用？
linux設備文件就是一個實實在在看得見的文件（什麼是文件？一個txt文本就是一個文件、一個word文檔就是一個文件、一張圖片就是一個文件），只不過這個文件是“設備類型”，它是用來代表一個設備的，一般在設備驅動加載之後創建，在設備驅動卸載後移除。有了設備文件，如果想對設備進行等操作。只需對設備文件進行等操作即可。這是如何實現的呢？就是通過驅動程序實現的：設備文件操作----->系統內核----->設備驅動----->硬件設備設備文件也是一個文件，c庫中對文件的操作包括打開、寫、讀、定位等，分別是通過fopen、fwrite、fread、fseek等c庫函數實現的。設備驅動的作用就是將 這些對設備文件的打開、讀、寫、定位等操作轉化爲對硬件設備的打開、讀、寫、定位等操作。那麼僅僅是實現對設備進行打開、讀、寫、定位等操作就能完全控制好它麼？對於能與微控制器接口的設備都可以！！！！！！
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如何創建設備文件？
有兩種方法：1.手工創建 mknod方法：mknok filename type major minor【major-主設備號；minor-次設備號；type-設備類型可取：c（字符設備），b（塊設備）】執行此命令之後就可以看到在當前目錄下生成了一個名爲filename 的文件。2.自動創建: 暫時不知
創建設備文件需要用到主次設備號，那麼什麼是主次設備號呢？
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二、主次設備號：
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什麼是主次設備號？主次設備號的作用是什麼？
設備號，就是系統爲設備分配的一個編號。在/dev目錄下-ll，可以看到有每個設備文件都有兩個號,他們就是主次設備號。
主設備號是用來標識與設備文件（什麼是設備文件？上面講過）相連的驅動程序，主設備號用來反映設備類型；次設備號被驅動程序用來辨別操作的是哪個設備，次設備號用來區分同類型的設備。設備文件需要設備號才能創建；設備驅動也需要設備號才能裝載。
設備文件正是通過主設備號找到它的驅動；設備驅動正是利用次設備號才知道他要操作的具體是哪個設備。
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內核中如何描述設備號？
內核中用  dev_t  類型來描述，其實質是是unsigned int 32位整數，其中高12位爲主設備號，低20位爲次設備號用宏 MAJOR(dev_t dev）解出主設備號，MINOR(dev_t  dev）分解出次設備號。
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linux內核如何分配主次設備號？
靜態申請：1.根據/documentation/devices.txt,確定一個沒有使用的主設備號
          2.使用register_chrdev_region函數註冊設備號：int register_chrdev_region(dev_t from,
          unsigned count，const char *name）【from-希望使用的設備號；count- 望申請使用的設備號數目；
          nanme-shebeiming（體現在/proc/devices)】
靜態註冊的缺點是移植時容易發生衝突，但是簡單。
動態分配：使用allo_chrdev_region分配設備號：int allo_chrdev_region（dev_t *dev，unsigned baseminor,
unsigned count，const char name）【dev 非配到的設備號（是獲取到得，不用填）；baseminor-起始次設備號
；count-需要分配的設備號數目；name-設備名】
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如何註銷設備號？
設備號是寶貴的資源，都應該在不再使用它們時釋放這些設備號
void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned cout|):釋放從from開始的count個設備號
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三、字符設備驅動中的三種重要數據結構
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哪三種？有什麼作用
Struct  inode，struct file_operation，Struct file，他們是linux內核定義的。很顯然，他們就是c語言中的結構體類型。
這裏需要區分下“結構體類型”與“結構體變量”：結構體類型相當於生產產品的“模子”，而“結構體變量”就是用這些模子生產出來的產品。不同的模子生產出來的產品的樣式不同：生產人的模子造出來的是長兩隻手兩條腿一個腦袋的人，生產馬的模子造出來的是四條腿一個腦袋的馬。同一個模子可以用來生產很多產品，同一個結構體類型可以定義很多變量。
linux內核爲什麼要定義這些“模子”呢？linux內核定義他們是爲了描述不同的類。不同的類具有不同的特徵，需要用不同的結構去描述：人長兩隻手兩條腿一個腦袋，馬是長四條腿一個腦袋，雞長兩條腿一個腦袋。
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Struct inode結構用來描述什麼?（這個模子用來生產什麼的?）重要成員有哪些？
作用：struct inode結構是用來描述設備文件屬性的，它的內容由內核來填寫的。每創建一個設備文件時，就會定義一個struct inode結構體類型的變量（用這個模子造一個產品），用來存放該文件的位置，設備號等物理信息。
重要成員：dev_t  i_rdev：設備號。在創建設備文件時，把命令中的設備號賦給它。
struct cdev *i_cdev：struct cdev 也是一個模子，他是用來描述一類設備的，用這個模子生產出來的變量都是用來描述設備一類的，它的內容是由驅動程序來填寫的。那i_cdev變量描述的是哪類設備的呢？i_cdev變量描述的就是inode結構變量所描述的這個設備文件的想關聯的這類設備。設備驅動程序在創建的時候會定義一個struct cdev結構的變量，把自己相關的信息的值賦給cdev變量的成員，在設備驅動裝載的時候它會被註冊到內核中。 當設備文件沒有被打開的時候structinode中的i_cdev變量值爲NULL；當設備文件被打開時，內核就會在已註冊到內核中的所有struct cdev 變量中找出與當前打開的設備文件具有相同主設備號的那個，然後把這個struct cdev變量的指針賦給i_cdev。具體的過程需要進行內核分析。由此可見，設備文件 是通過設備號與設備驅動關聯起來的。
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Struct file_peration結構用來描述什麼的？重要成員有哪些？
作用：Struct file_peration用來描述能在設備上進行的操作，它的內容需要驅動程序來填寫的。它是一個函數指針（指向函數的指針！！！）的集合。結構中的成員指向驅動函數中的函數，這些函數實現一個特定的操作，對於不支持的操作保留爲NULL。實際是一張對應表，把應用程序中的操作轉換成驅動程序操作。內核爲什麼只定義這些操作呢？因爲這些操作足以完全控制任何一個硬件設備。驅動程序只需完成這些操作的是實現，其他的問題交給應用程序來處理。每個驅動程序都會定義一個struct file_operation類型的變量，並把編寫好的操作函數（讀寫打開等函數）的指針賦給這個結構變量的成員，而這個變量的指針會被賦給 在驅動程序定義的struct cdev類型的變量，然後隨struct cdev一同註冊到內核中。
重要成員：struct module *owner：它並不是一個操作，它是指向“擁有”該結構的內核模塊的指針，內核使用這個字段以避免在模塊的操作正在使用時被卸載。
loff_t （*llseek）（struct file *，loff_t ，int）：llseek方法用來修改文件當前讀寫位置，並且返回新位置
ssize_t （*read）（struct file *，char_ _user * ，size_t，loff_t*）：用來從設備中讀取數據
ssize_t （*write）（struct file *，char_ _user * ，size_t，loff_t*）：用來向設備中寫取數據
int （*open）（struct inode*，struct file *）：一般爲對設備文件執行的第一個操作，但不是必須的。
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Struct file結構用來描述什麼？重要成員有哪些？
作用：struct file結構用來描述打開的文件，存放與文件操作有關的數據，它的內容由內核填寫的。每個文件（當然包括設備文件）在打開的時候，內核都會爲他創建一個struct file類型的變量，存放與該文件相關的操作。
重要成員：loff_t  f_pos：文件讀寫的位置（loff是內核定義的一種數據類型,其實是整型）
struct  file_operations *f_op：對的，就是上面剛講的！！！！！！struct file又是如何獲得這個成員的值的呢？文件在打開的時候，內核會根據設備號（設備號從哪兒來的呢？從文件的對應inode結構變量中找到）找到在內核中找到具有相同設備號的那個驅動，從而找到指向指向驅動file_operation變量的指針，具體的過程很複雜，設計到內核分析。以後再說。
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四、字符設備的註冊
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字符設備在內核中是如何被描述的？
在linux2.6內核中，字符設備使用struct  cdev結構來描述的，一個cdev描述的是一類設備，而這類設備可以有很多個，在設備註冊的時候需要告訴這類設備關聯的設備的個數。實質上在內核中字符設備的真正模型是struct probe結構。在內核中有一個probe結構體數組，具有255個元素，每個元素代表一個驅動，probe結構中當然包含cdev結構。至於說cdev結構是字符設備的描述，我想是因爲cdev結構能夠唯一的描述一個字符設備，並不代表內核中就是採用這個結構來描述字符設備。因此，應該把“設備”和“設備模型”兩個概念分別開來。
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字符設備驅動是如何註冊的？
分爲以下三個步驟：
前提是你在驅動中首先定義了一個cdev類型變量和一個file_operation類型變量。
1、給cdev變量分配內存：使用cdev_alloc函數完成，struct cdev *cdec_alloc（void），目的是爲cdev變量分配動態內存。當然，如果你把它定義成靜態變量，不用再用這個
函數專門再分配內存，因爲他已經有了。
2、初始化cdev變量：使用cdev_init函數完成，void cdev_init（struct cdev *cdev，const struct file_operations *fops）【cdev-待初始化的cdev結構；fops-設備對應的操作 函數集（上面講到得）】，初始化的作用暫時還不清楚。
3、註冊cdev：使用cdev_add函數完成，int cdev_add（struct cdev *p，dev_t dev，unsigned count）【p-待添加到內核的字符設備結構；dev-設備號；count-添加的設備個數）】。cdev_add（）用來將設備驅動添加到設備驅動模型（上面經過設備驅動模型）中。前面講過，內核中有一個probe結構體數組，他有255個元素，每個元素代表一個驅動，因此cdev_add（）的作用實際上是將設備驅動struct cdev *p，添加到這個結構體數組的某一項中去。
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五、字符設備的操作
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字符設備的操作指的是什麼？
就是struct  file_operation中包含的那些方法（函數），這些方法的實現也正是驅動程序的本職任務。
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字符設備的基本操作包括哪些？
就是上面講的struct  file_operation中的那些重要成員。
open：int （*open）（struct inode *，struct file *），一般爲設備的第一個操作，可以不實現，如果該項是NULL，
設備的打開操作永遠成功。
release：void （*release）（struct inode *，struct file *），當文件關閉時調用這個操作，這個操作也可以不實現。
read：ssize_t （*read）（struct file *，char__user *，size_t，loff_t *），從設備中讀數據
write：ssize_t（*write）（struct file *，char__user *，size_t，loff_t *），向設備寫數據。
lseek：：off_t（*llseek）（structfile *，loff_t，int），修改文件的當前讀寫位置，並將新位置座位返回值。
要注意的是，上述操作函數的接口（什麼是接口？在這裏就是函數的參數的類型！）是不能被修改的！因爲這是內核規定的標準接口。這些就是驅動程序需要實現的操作！每種
操作對對應着一種系統調用！
上述函數被調用的時候，它的那些參數自然是系統函數（屬於內核）傳遞給它的，那系統內核又是怎麼知道這些參數的呢？我們知道在這些函數被調用之前，驅動已經被加載到
內核之中了（module_init（）已經執行了），也就是說設備驅動cdev已經註冊到內核之中了！所以內核當然知道這些參數的信息了。
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驅動程序（內核模塊）的open方法如何實現？
open方法是驅動程序用來爲以後的操作完初始化準備工作的：初始化設備（寄存器設置），標明次設備號等等。open方
法的原型如下：
int （*open）（struct inode *inode，struct file *filp）
函數名可以改，函數參數的類型一定不能改！爲什麼呢？上面提到過，open方法對應着“系統調用（什麼是系統調用？）的open函數（此open非彼open），系統調用的
open函數有標準的格式，所以這個open方法應該保持着對應，不然你的驅動函數顯然不能被系統函數正常調用。
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read和write方法的原型又是什麼？
ssize_t  read（struct file *filp，char__user *buff，size_t count，loff_t *offp）
ssize_t write（struct file *filp， const  char__user *buff，size_t count，loff_t *offp）
其中buff是用戶空間（什麼是用戶空間和內核空間？參看，參看操作系統原理）的指針，內核代碼不能直接引用其中
的內容！！！（爲什麼？暫時不懂）。然而驅動程序（位於內核空間，屬於內核代碼）又必須訪問用戶空間的緩衝去以完成自己的工作，爲了確保安全，必須使用內核提供的
專用函數來完成。例如：
int long copy_to_user（void _ _user  *to，const void *from，unsigned long count）；
int long copy_from_user（void *to，const void _ _user *from，unsigned long count）
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六、字符設備的註銷
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爲什麼要註銷設備？
因爲不需要再使用。。。。。做事要有頭有尾。
如何註銷字符設備？
void cdev_del（struct cdev *cdev）
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