Linux字符设备驱动

1、Linux字符设备驱动的基本结构

Linux系统下具有三种设备，分别是字符设备、块设备和网络设备，Linux下的字符设备是指只能一个字节一个字节读写的设备，不能随机读取设备内存中某一数据，读取数据的时候需要按照先后顺序进行，字符设备是面向流的设备，常见的字符设备有鼠标、键盘、串口、控制台和LED等，接下来，简单介绍Linux字符设备驱动的基本结构。

（1）cdev结构体

在Linux内核中，使用结构体cdev对字符设备进行描述，其定义如下图所示：

Linux内核提供了一组函数用于对cdev结构体的操作：

void cdev_init(struct cdev *,const struct file_operations *);
struct cdev *cdev_alloc(void);
void cdev_put(struct cdev *p);
int cdev_add(struct cdev *,dev_t,unsigned);
void cdev_del(struct cdev *);

1）cdev_init()函数

cdev_init()的作用用来初始化一个cdev结构体，函数的代码如下所示：

参数：

???????? cdev：要初始化化的cdev结构体

???????? fops：设备的file_operations结构体

返回值：

???????? 无

2）cdev_alloc()

cdev_alloc()的作用是用来动态分配一个cdev结构体，函数的代码如下所示：

参数：

???????? 无

返回值：

???????? 成功：返回cdev结构体的指针

???????? 失败：返回NULL

3）cdev_put()

cdev_put()函数的作用用来释放cdev，函数的代码如下所示：

参数：

???????? p：cdev结构体指针

返回值：

???????? 无

4）cdev_add()

cdev_add()函数用于向系统添加一个cdev，完成字符设备的注册，函数的代码如下所示：

参数：

???????? p：字符设备的cdev结构体指针

???????? dev：此设备负责的第一个设备号

???????? count：与此对应的次设备号的数量

返回值：

???????? 成功：返回0

???????? 失败：返回error号

5）cdev_del()

cdev_del()向系统删除一个cdev，用于完成字符设备的注销，函数的代码如下所示：

参数：

???????? p：要在系统中移除的cdev结构体指针

返回值：

???????? 无

（2）分配和释放设备号

在使用cdev_add()向系统注册字符设备之前，需要先调用register_chrdev_region()或者alloc_chrdev_region()函数向系统申请设备号，在调用cdev_del()向系统注销字符设备之后，需要调用unregister_chrdev_region()释放原先申请的设备号。

1）register_chrdev_region()

该函数用于已知起始设备的设备号的情况，函数的原型如下所示：

参数：

???????? from：所需设备编号范围内的第一个，必须包括主设备号

???????? count：所需要的连续设备编号数量

???????? name：设备或驱动程序的名称

返回值：

???????? 成功：返回0

???????? 失败：返回负的错误号

2）alloc_chrdev_region()

该函数用于向系统动态申请未被占用的设备号，能自动避开设备号重复的冲突，函数的原型如下：

参数：

???????? dev：传出参数，传出第一个分配的设备号

???????? baseminor：所需要的第一个次设备号

???????? count：需要的次设备号的数量

???????? name：设备或驱动的名称

返回值：

???????? 成功：返回0

???????? 失败：返回负的错误号

3）unregister_chrdev_region()

该函数用于释放掉原先申请的设备号，函数的原型如下所示：

参数：

???????? from：需要释放的设备号范围的第一个

???????? count：需要释放的设备号的数量

返回值：

???????? 无

（3）file_operations结构体描述

file_operations结构体中的成员函数是字符设备驱动程序设计的主体内容，这些函数会在应用程序进行Linux的open、write、read、clsoe系统调用时，最终被内核进行调用，该结构体的成员函数如下所示：

常用成员指针函数简单介绍：

llseek()：用来修改一个文件的当前读写位置，并将新的位置进行返回，如果出错，则函数返回一个负值；

read()：用来从设备中读取数据，成功时返回读取到的字节数，出错时，则函数返回一个负值；

write()：用于向设备发送数据，成功时返回写入的字节数，若该函数未实行时，用户进行函数调用，将得到-EINVAL返回值；

unlocked_ioctl()：提供设备相关的控制命令的实现（不是读和写操作），调用成功时，返回给调用程序一个非负值，与应用程序调用fcntl和ioctl函数相对应；

mmap()：函数将设备内存映射到进程的虚拟地址空间中，当设备驱动未实现此函数时，用户进行调用将会得到-ENODEV返回值；

open()：用于打开驱动设备，若驱动程序中不实现此函数，则设备的打开操作永远成功；

release()：与open相反，用于关闭设备；

poll()：一般用于询问设备是否可被非阻塞地立即读写；

aio_read()：对文件描述符对应的设备进行异步读操作；

aio_write()：对文件描述符对应的设备进行异步写操作。

（4）Linux字符设备驱动的组成

在Linux中，字符设备驱动主要由下面几个部分组成，分别是驱动模块的加载函数、驱动模块的卸载函数，file_operations结构体中的成员函数指针实现。

1）字符设备驱动模块加载与卸载函数

在字符设备驱动模块的加载函数中要实现设备号的申请和cdev的注册，然而在字符设备驱动模块的卸载函数中，要实现cdev的注销以及设备号的释放，常见的设备结构体，模块加载和模块卸载函数如下图所示：

2）file_operations结构体中的成员函数

file_operations结构体的成员函数是字符设备驱动与内核虚拟文件系统的接口，是用户空间对Linux系统调用的最终落实者，常见的字符设备驱动的3个函数的形式如下所示：

在读设备驱动函数中，filp是文件结构体指针，buf是用户空间的内存地址，count是要读取的字节数，f_pos是读的位置相对于文件开头的漂移，设备驱动写函数的参数类似，用户空间的内存地址在内核中不能直接访问，copy_from_user()完成用户空间缓冲区到内核空间的复制，而copy_to_user完成内核空间到用户空间缓冲区的复制。

3）文件操作结构体

在字符设备驱动中，需要定义一个file_operations的实例，并将具体的设备驱动函数赋值给file_operations的成员，如下所示：

该file_operations结构体实例，通过cdev_init()函数与cdev进行连接。

下图为字符设备驱动的结构框图：