linux字符设备驱动学习笔记1

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                                《常识》
￥应用程序----->系统内核----->设备驱动----->硬件设备
￥设备驱动既是系统内核的下属，又是硬件设备的老大。 
￥在inux系统中用一个文件来代表一个设备。这个文件就叫设备文件。设备驱动的责任是将应用程序对设备文件
的打开、读、写、定位等操作转化为对硬件设备的打开、读、写、定位等操作。而对于任何硬件设备，应用程序
只需利用这些基本操作就可以完全控制它!
￥编写linux设备驱动需要的知识结构：
1、40%的设计模式相关知识。设计模式是系统内核限定的，做别人的下属就得按照别人的规矩办事。
2、30%的内核工作原理相关知识。内核是你领导，领会领导意图才能把事情办好。
3、30%的硬件相关知识。控制好硬件是你的的本质工作，你得把你的小弟管理好.
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一、设备文件
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什么是设备文件？设备文件有什么用？
linux设备文件就是一个实实在在看得见的文件（什么是文件？一个txt文本就是一个文件、一个word文档就是一个文件、一张图片就是一个文件），只不过这个文件是“设备类型”，它是用来代表一个设备的，一般在设备驱动加载之后创建，在设备驱动卸载后移除。有了设备文件，如果想对设备进行等操作。只需对设备文件进行等操作即可。这是如何实现的呢？就是通过驱动程序实现的：设备文件操作----->系统内核----->设备驱动----->硬件设备设备文件也是一个文件，c库中对文件的操作包括打开、写、读、定位等，分别是通过fopen、fwrite、fread、fseek等c库函数实现的。设备驱动的作用就是将 这些对设备文件的打开、读、写、定位等操作转化为对硬件设备的打开、读、写、定位等操作。那么仅仅是实现对设备进行打开、读、写、定位等操作就能完全控制好它么？对于能与微控制器接口的设备都可以！！！！！！
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如何创建设备文件？
有两种方法：1.手工创建 mknod方法：mknok filename type major minor【major-主设备号；minor-次设备号；type-设备类型可取：c（字符设备），b（块设备）】执行此命令之后就可以看到在当前目录下生成了一个名为filename 的文件。2.自动创建: 暂时不知
创建设备文件需要用到主次设备号，那么什么是主次设备号呢？
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二、主次设备号：
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什么是主次设备号？主次设备号的作用是什么？
设备号，就是系统为设备分配的一个编号。在/dev目录下-ll，可以看到有每个设备文件都有两个号,他们就是主次设备号。
主设备号是用来标识与设备文件（什么是设备文件？上面讲过）相连的驱动程序，主设备号用来反映设备类型；次设备号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备，次设备号用来区分同类型的设备。设备文件需要设备号才能创建；设备驱动也需要设备号才能装载。
设备文件正是通过主设备号找到它的驱动；设备驱动正是利用次设备号才知道他要操作的具体是哪个设备。
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内核中如何描述设备号？
内核中用  dev_t  类型来描述，其实质是是unsigned int 32位整数，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号用宏 MAJOR(dev_t dev）解出主设备号，MINOR(dev_t  dev）分解出次设备号。
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linux内核如何分配主次设备号？
静态申请：1.根据/documentation/devices.txt,确定一个没有使用的主设备号
          2.使用register_chrdev_region函数注册设备号：int register_chrdev_region(dev_t from,
          unsigned count，const char *name）【from-希望使用的设备号；count- 望申请使用的设备号数目；
          nanme-shebeiming（体现在/proc/devices)】
静态注册的缺点是移植时容易发生冲突，但是简单。
动态分配：使用allo_chrdev_region分配设备号：int allo_chrdev_region（dev_t *dev，unsigned baseminor,
unsigned count，const char name）【dev 非配到的设备号（是获取到得，不用填）；baseminor-起始次设备号
；count-需要分配的设备号数目；name-设备名】
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如何注销设备号？
设备号是宝贵的资源，都应该在不再使用它们时释放这些设备号
void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned cout|):释放从from开始的count个设备号
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三、字符设备驱动中的三种重要数据结构
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哪三种？有什么作用
Struct  inode，struct file_operation，Struct file，他们是linux内核定义的。很显然，他们就是c语言中的结构体类型。
这里需要区分下“结构体类型”与“结构体变量”：结构体类型相当于生产产品的“模子”，而“结构体变量”就是用这些模子生产出来的产品。不同的模子生产出来的产品的样式不同：生产人的模子造出来的是长两只手两条腿一个脑袋的人，生产马的模子造出来的是四条腿一个脑袋的马。同一个模子可以用来生产很多产品，同一个结构体类型可以定义很多变量。
linux内核为什么要定义这些“模子”呢？linux内核定义他们是为了描述不同的类。不同的类具有不同的特征，需要用不同的结构去描述：人长两只手两条腿一个脑袋，马是长四条腿一个脑袋，鸡长两条腿一个脑袋。
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Struct inode结构用来描述什么?（这个模子用来生产什么的?）重要成员有哪些？
作用：struct inode结构是用来描述设备文件属性的，它的内容由内核来填写的。每创建一个设备文件时，就会定义一个struct inode结构体类型的变量（用这个模子造一个产品），用来存放该文件的位置，设备号等物理信息。
重要成员：dev_t  i_rdev：设备号。在创建设备文件时，把命令中的设备号赋给它。
struct cdev *i_cdev：struct cdev 也是一个模子，他是用来描述一类设备的，用这个模子生产出来的变量都是用来描述设备一类的，它的内容是由驱动程序来填写的。那i_cdev变量描述的是哪类设备的呢？i_cdev变量描述的就是inode结构变量所描述的这个设备文件的想关联的这类设备。设备驱动程序在创建的时候会定义一个struct cdev结构的变量，把自己相关的信息的值赋给cdev变量的成员，在设备驱动装载的时候它会被注册到内核中。 当设备文件没有被打开的时候structinode中的i_cdev变量值为NULL；当设备文件被打开时，内核就会在已注册到内核中的所有struct cdev 变量中找出与当前打开的设备文件具有相同主设备号的那个，然后把这个struct cdev变量的指针赋给i_cdev。具体的过程需要进行内核分析。由此可见，设备文件 是通过设备号与设备驱动关联起来的。
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Struct file_peration结构用来描述什么的？重要成员有哪些？
作用：Struct file_peration用来描述能在设备上进行的操作，它的内容需要驱动程序来填写的。它是一个函数指针（指向函数的指针！！！）的集合。结构中的成员指向驱动函数中的函数，这些函数实现一个特定的操作，对于不支持的操作保留为NULL。实际是一张对应表，把应用程序中的操作转换成驱动程序操作。内核为什么只定义这些操作呢？因为这些操作足以完全控制任何一个硬件设备。驱动程序只需完成这些操作的是实现，其他的问题交给应用程序来处理。每个驱动程序都会定义一个struct file_operation类型的变量，并把编写好的操作函数（读写打开等函数）的指针赋给这个结构变量的成员，而这个变量的指针会被赋给 在驱动程序定义的struct cdev类型的变量，然后随struct cdev一同注册到内核中。
重要成员：struct module *owner：它并不是一个操作，它是指向“拥有”该结构的内核模块的指针，内核使用这个字段以避免在模块的操作正在使用时被卸载。
loff_t （*llseek）（struct file *，loff_t ，int）：llseek方法用来修改文件当前读写位置，并且返回新位置
ssize_t （*read）（struct file *，char_ _user * ，size_t，loff_t*）：用来从设备中读取数据
ssize_t （*write）（struct file *，char_ _user * ，size_t，loff_t*）：用来向设备中写取数据
int （*open）（struct inode*，struct file *）：一般为对设备文件执行的第一个操作，但不是必须的。
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Struct file结构用来描述什么？重要成员有哪些？
作用：struct file结构用来描述打开的文件，存放与文件操作有关的数据，它的内容由内核填写的。每个文件（当然包括设备文件）在打开的时候，内核都会为他创建一个struct file类型的变量，存放与该文件相关的操作。
重要成员：loff_t  f_pos：文件读写的位置（loff是内核定义的一种数据类型,其实是整型）
struct  file_operations *f_op：对的，就是上面刚讲的！！！！！！struct file又是如何获得这个成员的值的呢？文件在打开的时候，内核会根据设备号（设备号从哪儿来的呢？从文件的对应inode结构变量中找到）找到在内核中找到具有相同设备号的那个驱动，从而找到指向指向驱动file_operation变量的指针，具体的过程很复杂，设计到内核分析。以后再说。
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四、字符设备的注册
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字符设备在内核中是如何被描述的？
在linux2.6内核中，字符设备使用struct  cdev结构来描述的，一个cdev描述的是一类设备，而这类设备可以有很多个，在设备注册的时候需要告诉这类设备关联的设备的个数。实质上在内核中字符设备的真正模型是struct probe结构。在内核中有一个probe结构体数组，具有255个元素，每个元素代表一个驱动，probe结构中当然包含cdev结构。至于说cdev结构是字符设备的描述，我想是因为cdev结构能够唯一的描述一个字符设备，并不代表内核中就是采用这个结构来描述字符设备。因此，应该把“设备”和“设备模型”两个概念分别开来。
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字符设备驱动是如何注册的？
分为以下三个步骤：
前提是你在驱动中首先定义了一个cdev类型变量和一个file_operation类型变量。
1、给cdev变量分配内存：使用cdev_alloc函数完成，struct cdev *cdec_alloc（void），目的是为cdev变量分配动态内存。当然，如果你把它定义成静态变量，不用再用这个
函数专门再分配内存，因为他已经有了。
2、初始化cdev变量：使用cdev_init函数完成，void cdev_init（struct cdev *cdev，const struct file_operations *fops）【cdev-待初始化的cdev结构；fops-设备对应的操作 函数集（上面讲到得）】，初始化的作用暂时还不清楚。
3、注册cdev：使用cdev_add函数完成，int cdev_add（struct cdev *p，dev_t dev，unsigned count）【p-待添加到内核的字符设备结构；dev-设备号；count-添加的设备个数）】。cdev_add（）用来将设备驱动添加到设备驱动模型（上面经过设备驱动模型）中。前面讲过，内核中有一个probe结构体数组，他有255个元素，每个元素代表一个驱动，因此cdev_add（）的作用实际上是将设备驱动struct cdev *p，添加到这个结构体数组的某一项中去。
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五、字符设备的操作
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字符设备的操作指的是什么？
就是struct  file_operation中包含的那些方法（函数），这些方法的实现也正是驱动程序的本职任务。
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字符设备的基本操作包括哪些？
就是上面讲的struct  file_operation中的那些重要成员。
open：int （*open）（struct inode *，struct file *），一般为设备的第一个操作，可以不实现，如果该项是NULL，
设备的打开操作永远成功。
release：void （*release）（struct inode *，struct file *），当文件关闭时调用这个操作，这个操作也可以不实现。
read：ssize_t （*read）（struct file *，char__user *，size_t，loff_t *），从设备中读数据
write：ssize_t（*write）（struct file *，char__user *，size_t，loff_t *），向设备写数据。
lseek：：off_t（*llseek）（structfile *，loff_t，int），修改文件的当前读写位置，并将新位置座位返回值。
要注意的是，上述操作函数的接口（什么是接口？在这里就是函数的参数的类型！）是不能被修改的！因为这是内核规定的标准接口。这些就是驱动程序需要实现的操作！每种
操作对对应着一种系统调用！
上述函数被调用的时候，它的那些参数自然是系统函数（属于内核）传递给它的，那系统内核又是怎么知道这些参数的呢？我们知道在这些函数被调用之前，驱动已经被加载到
内核之中了（module_init（）已经执行了），也就是说设备驱动cdev已经注册到内核之中了！所以内核当然知道这些参数的信息了。
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驱动程序（内核模块）的open方法如何实现？
open方法是驱动程序用来为以后的操作完初始化准备工作的：初始化设备（寄存器设置），标明次设备号等等。open方
法的原型如下：
int （*open）（struct inode *inode，struct file *filp）
函数名可以改，函数参数的类型一定不能改！为什么呢？上面提到过，open方法对应着“系统调用（什么是系统调用？）的open函数（此open非彼open），系统调用的
open函数有标准的格式，所以这个open方法应该保持着对应，不然你的驱动函数显然不能被系统函数正常调用。
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read和write方法的原型又是什么？
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是用户空间（什么是用户空间和内核空间？参看，参看操作系统原理）的指针，内核代码不能直接引用其中
的内容！！！（为什么？暂时不懂）。然而驱动程序（位于内核空间，属于内核代码）又必须访问用户空间的缓冲去以完成自己的工作，为了确保安全，必须使用内核提供的
专用函数来完成。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、字符设备的注销
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为什么要注销设备？
因为不需要再使用。。。。。做事要有头有尾。
如何注销字符设备？
void cdev_del（struct cdev *cdev）
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