Linux字符设备-简单字符设备模型
Linux字符设备
一． 使用字符设备驱动
1. 编译/安装驱动
在Linux系统中，驱动程序通常采用内核模块的程序结构来进行编码。因此，编译/安装一个驱动程序，其实质就是编译/安装一个内核模块。
2. 字符设备文件
通过字符设备文件，应用程序可以使用相应的字符设备驱动程序来控制字符设备。
创建字符设备文件的方法一般有两种：
1.使用mknod命令
mknod /dev/文件名 c 主设备号 次设备号
2. 使用函数在驱动程序中创建
二． 字符驱动编程模型
- 设备描述结构
- 驱动模型
在Linux系统中,设备的类型非常繁多，如：字符设备，块设备，网络接口设备，USB设备，PCI设备，平台设备，混杂设备……，而设备类型不同，也意味着其对应的驱动程序模型不同，这样就导致了我们需要去掌握众多的驱动程序模型。那么能不能从这些众多的驱动模型中提炼出一些具有共性的规则，则是我们能不能学好Linux驱动的关键。
1. 设备描述结构
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structcdev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
};
1.1 设备号
查看/dev目录下设备号
1.1 次设备号
2.1 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.
问1：如果知道主设备号，次设备号，怎么组合成dev_t类型
答：dev_t dev = MKDEV(主设备号，次设备号)
问2: 如何从dev_t中分解出主设备号?
答: 主设备号 = MAJOR(dev_t dev)
问3: 如何从dev_t中分解出次设备号？
答: 次设备号=MINOR(dev_t dev)
1.1 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：因为内核知道哪些号已经被使用了，所以不会导致分配到已经被使用的号。
1.1 设备号-注销
不论使用何种方法分配设备号，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
2.2 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。例如：
struct file_operations dev_fops = {
.llseek = NULL,
.read = dev_read,
.write = dev_write,
.ioctl = dev_ioctl,
.open = dev_open,
.release = dev_release,
};
2.1 字符设备初始化
2.1 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();
2.1 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
2.1 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: 该类设备的设备个数
2.1 硬件初始化
根据相应硬件的芯片手册，完成初始化。
2.2 实现设备操作
2.2 手把手带你来分析
分析
file_operations
2.2 设备操作原型
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 *)
向设备写入数据，响应write系统调用
2.2 Struct 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*/
2.2 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息。因此, 它和代表打开文件的file结构是不同的。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
3.2 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
3.2 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。
3.2 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
ssize_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。
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)
3.2 设备操作-write
write设备方法通常完成2件事情：
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函数来完成字符设备的注销。
先写一个自动分配字符设备号手动分配字符设备节点的例子及APP
手动安装步骤：
Insmod char_dev.ko
查看字符设备号
cat /proc/devices
再安装设备节点
mknod /dev/my_chardev c 248 0
然后是测试app
./my_char_dev_app 1
内核驱动代码char_dev.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/device.h> //下面这三个头文件是由于动态创建需要加的
#include <linux/device.h>
#include <linux/cdev.h>
#include "my_cdev.h"
struct cdev cdev;
dev_t devno;//这里是动态分配设备号
int my_cdev_open(struct inode *node,struct file *filp)
{
printk("my_cdev_open sucess!\n");
return 0;
}
long my_cdev_ioctl(struct file *filp ,unsigned int cmd ,unsigned long arg)
{
switch(cmd)
{
case LED_ON:
printk("LED_ON is set!\n");
return 0;
case LED_OFF:
printk("LED_OFF is set!\n");
return 0;
default :
return -EINVAL;
}
}
struct file_operations my_cdev_fops=
{
.open = my_cdev_open,
.unlocked_ioctl = my_cdev_ioctl,
};
static int my_cdev_init(void)
{
int ret;
/**动态分配设备号*/
ret = alloc_chrdev_region(&devno,0,1,"my_chardev");
if(ret)
{
printk("alloc_chrdev_region fail!\n");
unregister_chrdev_region(devno,1);
return ret;
}
else
{
printk("alloc_chrdev_region sucess!\n");
}
/**描述结构初始化*/
cdev_init(&cdev,&my_cdev_fops);
/**描述结构注册*/
ret = cdev_add(&cdev,devno,1);
if(ret)
{
printk("cdev add fail.\n");
unregister_chrdev_region(devno,1);
return ret;
}
else
{
printk("cdev add sucess!\n");
}
return 0;
}
static void my_cdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev);
unregister_chrdev_region(devno,1);
printk("my_cdev_exit sucess!\n");
}
module_init(my_cdev_init);
module_exit(my_cdev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("YEFEI");
MODULE_DESCRIPTION("YEFEI Driver");
APP头文件my_cdev.h
#ifndef __MY_CDEV_H__
#define __MY_CDEV_H__
#define LED_MAGIC 'L'
#define LED_ON _IO(LED_MAGIC,0)
#define LED_OFF _IO(LED_MAGIC,1)
#endif
APP测试文件my_char_dev_app.c
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include "my_cdev.h"
int main(int argc,char *argv[])
{
int fd;
int cmd;
if(argc < 2)
{
printf("Please enter secend param!\n");
return 0;
}
cmd = atoi(argv[1]);
fd = open("/dev/my_chardev",O_RDWR);
if(fd < 0)
{
printf("Open dev/my_chardev fail!\n");
close(fd);
return 0;
}
switch(cmd)
{
case 1:
ioctl(fd,LED_ON);
break;
case 2:
ioctl(fd,LED_OFF);
break;
default:
break;
}
close(fd);
return 0;
}
2016-02-17
21:54:48