[国嵌攻略][113][字符设备驱动模型]

设备驱动模型

1.驱动初始化（驱动安装）

1.1.分配设备描述符

1.2.初始化设备描述符

1.3.注册设备描述符

1.4.硬件初始化

2.实现设备操作（驱动操作）

3.驱动注销（驱动卸载）

 

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struct cdev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

};

 

设备号的作用

通过ls –l命令可以查看/dev目录下的设备号。字符设备文件与字符设备驱动通过主设备号建立关系，同一类的设备通过不同的次设备号来使用同一个设备驱动。

示例：

ls –l /dev

crw-r-----. 1 root root     10, 223 3月   6 18:33 uinput

c表示字符设备，10表示主设备号，223表示次设备号

 

设备号的操作

Linux内核中使用dev_t类型来定义设备号，dev_t这种类型实质是32为unsigned int，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号。

通过主设备号和次设备号合成dev_t类型

dev_t dev = MKDEV(主设备号，次设备号)

通过dev_t中分解主设备号

主设备号=MAJOR(dev_t dev)

通过dev_t中分解次设备号

次设备号=MINOR(dev_t dev)

 

设备号的分配

1.静态申请

开发者自己选择一个数字作为主设备号，通过函数register_chrdev_region向内核申请使用。缺点是如果申请使用的设备号已经被内核中的其他驱动使用，那么申请失败。

2.动态申请

使用alloc_chrdev_region由内核分配一个可以使用的主设备号。优点是因为内核知道哪些设备号已经被使用，所以不会导致分配到已经被使用的设备号。

函数原型：

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)

参数说明：

dev:设备描述结构

baseminor:次设备号起始编号

count:次设备号数目

name:驱动名称，对应于分配设备号后添加到/proc/devices里面的名称

 

设备号的注销

不论使用何种方法分配设备号，都应该在驱动程序退出时，使用unregister_chrdev_region函数释放这些设备号。

 

 

设备操作集

应用程序通过系统调用访问字符设备文件，字符设备文件通过字符操作集映射到字符设备驱动。

设备操作集相当于一张映射表，能把来自应用程序的系统调用映射成驱动程序中的函数去执行。

struct file_operations {
    struct module *owner;
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
    ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
    int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    int (*fsync) (struct file *, int datasync);
    int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
    int (*fasync) (int, struct file *, int);
    int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
    unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
    int (*check_flags)(int);
    int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
    ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
    int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
    long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
              loff_t len);
};

 

 

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，对于不支持的操作设置函数指针为NULL。

示例：

struct file_operations dev_fops={

.llseek = NULL,

.read = dev_read,

.write = dev_write,

.ioctl = dev_ioctl,

.open = dev_open,

.release = dev_release

};

 

描述结构的分配

cdev变量的定义可以采用静态和动态分配两种办法

1.静态分配

struct cdev mdev;

2.动态分配

struct cdev *pdev = cdev_alloc();

 

描述结构的初始化

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

 

描述结构的注册

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

 

硬件初始化

根据相应的硬件芯片手册，完成初始化。

 

设备操作函数（又称为设备操作方法）

设备操作原型的参数都是固定，但是名字可以顺便取。

int (*open)(struct inode *, struct file *)

打开设备，响应open系统调用

 

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 *, sizet_t, loff_t *)

向设备中写入数据，响应write系统调用

 

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，在关闭文件后释放。

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

 

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_rder:设备号

 

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

 

设备操作release

release方式的作用正好与open相反。这个设备方法有时也称为close，它完成如下工作：

关闭设备

 

设备操作read

read设备方法通常完成两件事情：

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_to_user(void __user *to, const void *from, int n)   读取数据

int copy_from_user(void __user *to, const void *from, int n)   写入数据

 

设备操作write

write设备方法通常完成两件事：

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）

 

struct (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)

参数类似于read

 

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。