字符设备驱动模型

Posted 2020-07-13

1、设备描述结构cdev

驱动模型

在Linux系统中，设备类型非常繁多，字符设备、块设备、网络接口设备、USB设备、PCI设备、平台设备、混杂设备等，也意味着其对应饿驱动程序模型不同，这就导致了需要掌握众多的驱动程序模型，那么能否从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。

a、驱动初始化

1）、设备描述结构（位于cdev.h文件中）

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_operation *ops;//设备操作集

struct list_head list;

dev_t dev;//设备号

unsigned int count;//设备数

}

其中有些成员是程序开发者自己要用的，有些事内核要用的。

开发者要用的有：unsigned int count;//设备数。dev_t dev ；//主设备号

什么是主设备号？进入Linux，ls -l /dev/可以看到在时间前有一个num1,num2，前num1是主设备号，num2是次设备号。

主设备号：

字符设备文件-》字符设备驱动程序：字符设备文件与字符设备驱动程序如何建立起对应关系？靠主设备号。

次设备号：

串口1、串口2--》串口驱动程序：驱动程序靠什么来区分串口1和串口2？靠次设备号。

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：如果知道主设备号和次设备号怎么组成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：设备号=MAJOR(dev_t dev)

问3：。。。。。。分解出次设备号？

答：次设备号=MINOR(dev_t dev)

 

设备号分配

如何为设备分配一个主设备号？

a、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。

b、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：因为内核知道哪些设备号已经被使用了，所以不会导致分配到已经被使用的设备号。

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。

struct file_operation结构体成员都是函数指针，这些函数名称与我们的文件编程的系统调用相一致。

这张表就是file_operation.

操作函数集：

struct file_operation

是一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作有哪些，结构中的函数指针指向驱动中的实现的相应函数，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_operation dev_fops=

{

.llseek=NULL,

.read=dev_read,

.write=dev_write,

.ioctl=dev_ioctl,

.open=dev_open,

.release=dev_release,

};

驱动初始化：通常是在模块初始化函数里来完成。

1、描述结构--分配

cdev变量的定义可以采用静态和动态两种方法：

静态分配：struct cdev mdev;

动态分配：struct cdev *pdev=cdev_alloc();

2、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)，其中fops是cdev的成员

参数：cdev--待初始化的cdev结构

fops--设备对应的操作函数集，它是cdev的成员变量

3、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。

以上三步完成则字符设备在内核中已经登记好了，如果是硬件设备，则还需做相关的硬件初始化。

b、事项设备操作也称设备方法

1、设备操作原型

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。

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刻创建，在文件关闭后释放。

其重要成员：loff_t f_ops //文件读写指针；struct file_operations *f_op;//该文件所对应的操作。file_operations这个文件有一个映射表，把用户需求映射到相应的驱动函数中。

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struct 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，其重要成员：dev_t i_rdev；//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。

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：其中来源于应用程序（或者系统调用）的参数有，要读取的数据量count，读取数据要保存位置buff;内核参数：fd被内核用来打开相应的struct file，offp它指向的地方是文件读写的位置。

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)

ssize_t dev_read(struct file *file，char *buf,size_t count,loff_t *ppos);

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 *,ssize_t,loff_t *)其参数与read类似。

c、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。

 

分析字符设备驱动范列：

1、找到模块初始化函数

首先，分配设备结构cdev，本代码采用静态分配

对应的操作函数集结构如下

devno文件开头要定义

下面就是去实现操作函数集里面的函数

首先来看文件打开函数

文件读函数

写函数类似于读函数

seek文件定位函数

文件释放函数，因为没有处理硬件，所以直接return 0；

 

下面是注销设备，在模块卸载函数里面