蜕变成蝶:Linux设备驱动之字符设备驱动

一、linux系统将设备分为3类:字符设备、块设备、网络设备。使用驱动程序:

  • 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的某一数据,读取数据需要按照先后数据。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设备等。
  • 块设备:是指可以从设备的任意位置读取一定长度数据的设备。块设备包括硬盘、磁盘、U盘和SD卡等。

每一个字符设备或块设备都在/dev目录下对应一个设备文件。linux用户程序通过设备文件(或称设备节点)来使用驱动程序操作字符设备和块设备。

 

二、字符设备、字符设备驱动与用户空间访问该设备的程序三者之间的关系。

如图,在Linux内核中使用cdev结构体来描述字符设备,通过其成员dev_t来定义设备号(分为主、次设备号)以确定字符设备的唯一性。通过其成员file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数,如常见的open()、read()、write()等。

在Linux字符设备驱动中,模块加载函数通过register_chrdev_region( ) 或alloc_chrdev_region( )来静态或者动态获取设备号,通过cdev_init( )建立cdev与file_operations之间的连接,通过cdev_add( )向系统添加一个cdev以完成注册。模块卸载函数通过cdev_del( )来注销cdev,通过unregister_chrdev_region( )来释放设备号。

用户空间访问该设备的程序通过Linux系统调用,如open( )、read( )、write( ),来“调用”file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数。

三、字符设备驱动模型

 

1. 驱动初始化

1.1. 分配cdev

在2.6的内核中使用cdev结构体来描述字符设备,在驱动中分配cdev,主要是分配一个cdev结构体与申请设备号,以按键驱动为例:

从上面的代码可以看出,申请设备号有动静之分,其实设备号还有主次之分。

在Linux中以主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序。次编号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备。cdev 结构体的 dev_t 成员定义了设备号,为 32 位,其中高 12 位为主设备号,低20 位为次设备号。

设备号的获得与生成:

获得:主设备号:MAJOR(dev_t dev);

次设备号:MINOR(dev_t dev);

生成:MKDEV(int major,int minor);

设备号申请的动静之分:

静态:

静态申请相对较简单,但是一旦驱动被广泛使用,这个随机选定的主设备号可能会导致设备号冲突,而使驱动程序无法注册。

动态:

动态申请简单,易于驱动推广,但是无法在安装驱动前创建设备文件(因为安装前还没有分配到主设备号)。

1.2. 初始化cdev

1.3. 注册cdev

1.4. 硬件初始化

硬件初始化主要是硬件资源的申请与配置,以TQ210的按键驱动为例:

  2.实现设备操作

用户空间的程序以访问文件的形式访问字符设备,通常进行open、read、write、close等系统调用。而这些系统调用的最终落实则是file_operations结构体中成员函数,它们是字符设备驱动与内核的接口。以TQ210的按键驱动为例:

上面代码中的button_open、button_close、button_read是要在驱动中自己实现的。file_operations结构体成员函数有很多个,下面就选几个常见的来展示:

2.1. open()函数

原型:

 2.2. read( )函数

原型:

2.3. write( )函数

原型:

2.4. close( )函数

原型:

2.5. 补充说明

1. 在Linux字符设备驱动程序设计中,有3种非常重要的数据结构:struct file、struct inode、struct file_operations。

struct file 代表一个打开的文件。系统中每个打开的文件在内核空间都有一个关联的struct file。它由内核在打开文件时创建, 在文件关闭后释放。其成员loff_t f_pos 表示文件读写位置。

struct inode 用来记录文件的物理上的信息。因此,它和代表打开文件的file结构是不同的。一个文件可以对应多个file结构,但只有一个inode结构。其成员dev_t i_rdev表示设备号。

struct file_operations 一个函数指针的集合,定义能在设备上进行的操作。结构中的成员指向驱动中的函数,这些函数实现一个特别的操作, 对于不支持的操作保留为NULL。

2. 在read( )和write( )中的buff 参数是用户空间指针。因此,它不能被内核代码直接引用,因为用户空间指针在内核空间时可能根本是无效的——没有那个地址的映射。因此,内核提供了专门的函数用于访问用户空间的指针:

3. 驱动注销

3.1. 删除cdev

在字符设备驱动模块卸载函数中通过cdev_del()函数向系统删除一个cdev,完成字符设备的注销。

3.2. 释放设备号

在调用cdev_del()函数从系统注销字符设备之后,unregister_chrdev_region()应该被调用以释放原先申请的设备号。

四、字符设备驱动程序基础:

4.1 cdev结构体

在Linux2.6 内核中,使用cdev结构体来描述一个字符设备,cdev结构体的定义如下:

cdev 结构体的dev_t 成员定义了设备号,为32位,其中12位是主设备号,20位是次设备号,我们只需使用二个简单的宏就可以从dev_t 中获取主设备号和次设备号:

MAJOR(dev_t dev)

MINOR(dev_t dev)

相反地,可以通过主次设备号来生成dev_t:

MKDEV(int major,int minor)

4.2 Linux 2.6内核提供一组函数用于操作cdev 结构体:

其中(1)用于初始化cdev结构体,并建立cdev与file_operations 之间的连接。(2)用于动态分配一个cdev结构,(3)向内核注册一个cdev结构,(4)向内核注销一个cdev结构

4.3  Linux 2.6内核分配和释放设备号

在调用cdev_add()函数向系统注册字符设备之前,首先应向系统申请设备号,有二种方法申请设备号,一种是静态申请设备号:

5:int register_chrdev_region(dev_t from,unsigned count,const char *name)

另一种是动态申请设备号:

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

其中,静态申请是已知起始设备号的情况,如先使用cat /proc/devices 命令查得哪个设备号未事先使用(不推荐使用静态申请);动态申请是由系统自动分配,只需设置major = 0即可。

相反地,在调用cdev_del()函数从系统中注销字符设备之后,应该向系统申请释放原先申请的设备号,使用:

7:void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count);

4.4 cdev结构的file_operations结构体

这个结构体是字符设备当中最重要的结构体之一,file_operations 结构体中的成员函数指针是字符设备驱动程序设计的主体内容,这些函数实际上在应用程序进行Linux 的 open()、read()、write()、close()、seek()、ioctl()等系统调用时最终被调用。

4.5 file结构

file  结构代表一个打开的文件,它的特点是一个文件可以对应多个file结构。它由内核再open时创建,并传递给在该文件上操作的所有函数,直到最后close函数,在文件的所有实例都被关闭之后,内核才释放这个数据结构。

在内核源代码中,指向 struct file 的指针通常比称为filp,file结构有以下几个重要的成员:

4.6 inode 结构

内核用inode 结构在内部表示文件,它是实实在在的表示物理硬件上的某一个文件,且一个文件仅有一个inode与之对应,同样它有二个比较重要的成员:

4.7字符设备驱动模块加载与卸载函数

在字符设备驱动模块加载函数中应该实现设备号的申请和cdev 结构的注册,而在卸载函数中应该实现设备号的释放与cdev结构的注销。

我们一般习惯将cdev内嵌到另外一个设备相关的结构体里面,该设备包含所涉及的cdev、私有数据及信号量等等信息。常见的设备结构体、模块加载函数、模块卸载函数形式如下:

4.8字符设备驱动的 file_operations 结构体重成员函数

4.9、字符设备驱动文件操作结构体模板

五、字符设备驱动小结:

字符设备是3大类设备(字符设备、块设备、网络设备)中较简单的一类设备,其驱动程序中完成的主要工作是初始化、添加和删除cdev结构体,申请和释放设备号,以及填充file_operation结构体中操作函数,并实现file_operations结构体中的read()、write()、ioctl()等重要函数。如图所示为cdev结构体、file_operations和用户空间调用驱动的关系。

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关于作者:李辉

湖南省天杰信息技术有限公司创始人之一,主要从事基站智能门禁锁、智能蓝牙锁、智慧商城等等的研发。在2015年1月完成《24小时学通Linux内核》的写作,目前其关于嵌入式Linux 驱动的写作仍在进行中。 个人主页 · 我的文章 · 2 ·    

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