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蜕变成蝶~Linux设备驱动之字符设备驱动

發(fā)布時間：2025/3/8 linux 23 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了蜕变成蝶~Linux设备驱动之字符设备驱动小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

一、linux系統(tǒng)將設備分為3類：字符設備、塊設備、網絡設備。使用驅動程序：

字符設備：是指只能一個字節(jié)一個字節(jié)讀寫的設備，不能隨機讀取設備內存中的某一數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)需要按照先后數(shù)據(jù)。字符設備是面向流的設備，常見的字符設備有鼠標、鍵盤、串口、控制臺和LED設備等。
塊設備：是指可以從設備的任意位置讀取一定長度數(shù)據(jù)的設備。塊設備包括硬盤、磁盤、U盤和SD卡等。

　　每一個字符設備或塊設備都在/dev目錄下對應一個設備文件。linux用戶程序通過設備文件（或稱設備節(jié)點）來使用驅動程序操作字符設備和塊設備。

二、字符設備、字符設備驅動與用戶空間訪問該設備的程序三者之間的關系。

　　如圖，在Linux內核中使用cdev結構體來描述字符設備，通過其成員dev_t來定義設備號（分為主、次設備號）以確定字符設備的唯一性。通過其成員file_operations來定義字符設備驅動提供給VFS的接口函數(shù)，如常見的open()、read()、write()等。

? ? ? 在Linux字符設備驅動中，模塊加載函數(shù)通過register_chrdev_region( ) 或alloc_chrdev_region( )來靜態(tài)或者動態(tài)獲取設備號，通過cdev_init( )建立cdev與file_operations之間的連接，通過cdev_add( )向系統(tǒng)添加一個cdev以完成注冊。模塊卸載函數(shù)通過cdev_del( )來注銷cdev，通過unregister_chrdev_region( )來釋放設備號。

? ? ? ?用戶空間訪問該設備的程序通過Linux系統(tǒng)調用，如open( )、read( )、write( )，來“調用”file_operations來定義字符設備驅動提供給VFS的接口函數(shù)。

三、字符設備驅動模型

1. 驅動初始化

?????1.1. 分配cdev

????????在2.6的內核中使用cdev結構體來描述字符設備，在驅動中分配cdev,主要是分配一個cdev結構體與申請設備號，以按鍵驅動為例：

1 /*……*/ 2 /* 分配cdev*/ 3 struct cdev btn_cdev; 4 /*……*/ 5 /* 1.1 申請設備號*/ 6 if(major){ 7 //靜態(tài) 8 dev_id = MKDEV(major, 0); 9 register_chrdev_region(dev_id, 1, "button"); 10 } else { 11 //動態(tài) 12 alloc_chardev_region(&dev_id, 0, 1, "button"); 13 major = MAJOR(dev_id); 14 } 15 /*……*/ View Code

????????從上面的代碼可以看出，申請設備號有動靜之分，其實設備號還有主次之分。

????????在Linux中以主設備號用來標識與設備文件相連的驅動程序。次編號被驅動程序用來辨別操作的是哪個設備。cdev 結構體的 dev_t 成員定義了設備號，為 32 位，其中高 12 位為主設備號，低20 位為次設備號。

????????設備號的獲得與生成：

????????獲得：主設備號：MAJOR(dev_t dev);

????????????????? 次設備號：MINOR(dev_t dev);

????????生成：MKDEV(int major,int minor);

????????設備號申請的動靜之分：

????????靜態(tài)： ??

1 int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)； 2 /*功能：申請使用從from開始的count 個設備號(主設備號不變，次設備號增加）*/

????????靜態(tài)申請相對較簡單，但是一旦驅動被廣泛使用,這個隨機選定的主設備號可能會導致設備號沖突，而使驅動程序無法注冊。

????????動態(tài)：

1 int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name)； 2 /*功能：請求內核動態(tài)分配count個設備號，且次設備號從baseminor開始。*/

????????動態(tài)申請簡單，易于驅動推廣，但是無法在安裝驅動前創(chuàng)建設備文件（因為安裝前還沒有分配到主設備號）。

????1.2. 初始化cdev??

1 void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *); 2 cdev_init()函數(shù)用于初始化 cdev 的成員，并建立 cdev 和 file_operations 之間的連接。

????1.3. 注冊cdev

1 int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
2 　　　　 cdev_add()函數(shù)向系統(tǒng)添加一個 cdev，完成字符設備的注冊。

????1.4. 硬件初始化

????????硬件初始化主要是硬件資源的申請與配置，以TQ210的按鍵驅動為例：

1 /* 1.4 硬件初始化*/ 2 //申請GPIO資源 3 gpio_request(S5PV210_GPH0(0), "GPH0_0"); 4 //配置輸入 5 gpio_direction_input(S5PV210_GPH0(0));

????2.實現(xiàn)設備操作

????????用戶空間的程序以訪問文件的形式訪問字符設備，通常進行open、read、write、close等系統(tǒng)調用。而這些系統(tǒng)調用的最終落實則是file_operations結構體中成員函數(shù)，它們是字符設備驅動與內核的接口。以TQ210的按鍵驅動為例：

1 /*設備操作集合*/ 2 static struct file_operations btn_fops = { 3 .owner = THIS_MODULE, 4 .open = button_open, 5 .release = button_close, 6 .read = button_read 7 };

????????上面代碼中的button_open、button_close、button_read是要在驅動中自己實現(xiàn)的。file_operations結構體成員函數(shù)有很多個，下面就選幾個常見的來展示：

????2.1. open（）函數(shù)

????????原型：

1 int(*open)(struct inode *, struct file*); 2 /*打開*/

????2.2. read( )函數(shù)

?????原型：

ssize_t(*read)(struct file *, char __user*, size_t, loff_t*); /*用來從設備中讀取數(shù)據(jù)，成功時函數(shù)返回讀取的字節(jié)數(shù)，出錯時返回一個負值*/

????2.3. write( )函數(shù)

????原型：

1 ssize_t(*write)(struct file *, const char__user *, size_t, loff_t*); 2 /*向設備發(fā)送數(shù)據(jù)，成功時該函數(shù)返回寫入的字節(jié)數(shù)。如果此函數(shù)未被實現(xiàn)， 3 當用戶進行write()系統(tǒng)調用時，將得到-EINVAL返回值*/

????2.4. close( )函數(shù)

????原型：

1 int(*release)(struct inode *, struct file*); 2 /*關閉*/

????2.5. 補充說明

????????1.?在Linux字符設備驅動程序設計中，有3種非常重要的數(shù)據(jù)結構：struct file、struct inode、struct file_operations。

????????struct file?代表一個打開的文件。系統(tǒng)中每個打開的文件在內核空間都有一個關聯(lián)的struct file。它由內核在打開文件時創(chuàng)建, 在文件關閉后釋放。其成員loff_t f_pos 表示文件讀寫位置。

????????struct inode?用來記錄文件的物理上的信息。因此,它和代表打開文件的file結構是不同的。一個文件可以對應多個file結構,但只有一個inode結構。其成員dev_t i_rdev表示設備號。

????????struct file_operations?一個函數(shù)指針的集合，定義能在設備上進行的操作。結構中的成員指向驅動中的函數(shù),這些函數(shù)實現(xiàn)一個特別的操作, 對于不支持的操作保留為NULL。

????? ? 2. 在read( )和write( )中的buff 參數(shù)是用戶空間指針。因此,它不能被內核代碼直接引用，因為用戶空間指針在內核空間時可能根本是無效的——沒有那個地址的映射。因此，內核提供了專門的函數(shù)用于訪問用戶空間的指針：

1 unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count); 2 unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long count);

????3. 驅動注銷

????3.1. 刪除cdev

????????在字符設備驅動模塊卸載函數(shù)中通過cdev_del()函數(shù)向系統(tǒng)刪除一個cdev，完成字符設備的注銷。

/*原型：*/ void cdev_del(struct cdev *); /*例：*/ cdev_del(&btn_cdev);　

????3.2. 釋放設備號

????????在調用cdev_del()函數(shù)從系統(tǒng)注銷字符設備之后，unregister_chrdev_region()應該被調用以釋放原先申請的設備號。

/*原型：*/ void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count); /*例：*/ unregister_chrdev_region(MKDEV(major, 0), 1);

四、字符設備驅動程序基礎:

4.1 cdev結構體

在Linux2.6 內核中，使用cdev結構體來描述一個字符設備，cdev結構體的定義如下：

1 struct cdev { 2 3 struct kobject kobj; 4 5 struct module *owner; /*通常為THIS_MODULE*/ 6 7 struct file_operations *ops; /*在cdev_init()這個函數(shù)里面與cdev結構聯(lián)系起來*/ 8 9 struct list_head list; 10 11 dev_t dev; /*設備號*/ 12 13 unsigned int count; 14 15 }； View Code

cdev 結構體的dev_t 成員定義了設備號，為32位，其中12位是主設備號，20位是次設備號，我們只需使用二個簡單的宏就可以從dev_t 中獲取主設備號和次設備號：

MAJOR(dev_t dev)

MINOR(dev_t dev)

相反地，可以通過主次設備號來生成dev_t：

MKDEV(int major,int minor)

4.2 Linux 2.6內核提供一組函數(shù)用于操作cdev 結構體：

1：void cdev_init(struct cdev*,struct file_operations *);2：struct cdev *cdev_alloc(void);3：int cdev_add(struct cdev *,dev_t,unsigned);4：void cdev_del(struct cdev *); View Code

其中（1）用于初始化cdev結構體，并建立cdev與file_operations 之間的連接。（2）用于動態(tài)分配一個cdev結構，（3）向內核注冊一個cdev結構，（4）向內核注銷一個cdev結構

4.3??Linux 2.6內核分配和釋放設備號

????? 在調用cdev_add()函數(shù)向系統(tǒng)注冊字符設備之前，首先應向系統(tǒng)申請設備號，有二種方法申請設備號，一種是靜態(tài)申請設備號：

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

另一種是動態(tài)申請設備號：

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

?????? 其中，靜態(tài)申請是已知起始設備號的情況，如先使用cat /proc/devices 命令查得哪個設備號未事先使用（不推薦使用靜態(tài)申請）；動態(tài)申請是由系統(tǒng)自動分配，只需設置major = 0即可。

????? 相反地，在調用cdev_del()函數(shù)從系統(tǒng)中注銷字符設備之后，應該向系統(tǒng)申請釋放原先申請的設備號，使用：

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

4.4 cdev結構的file_operations結構體

????? 這個結構體是字符設備當中最重要的結構體之一，file_operations 結構體中的成員函數(shù)指針是字符設備驅動程序設計的主體內容，這些函數(shù)實際上在應用程序進行Linux 的 open()、read()、write()、close()、seek()、ioctl()等系統(tǒng)調用時最終被調用。

1 struct file_operations { 2 3 /*擁有該結構的模塊計數(shù)，一般為THIS_MODULE*/ 4 struct module *owner; 5 6 /*用于修改文件當前的讀寫位置*/ 7 loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); 8 9 /*從設備中同步讀取數(shù)據(jù)*/ 10 ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); 11 12 /*向設備中寫數(shù)據(jù)*/ 13 ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); 14 15 16 ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); 17 ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); 18 int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); 19 20 /*輪詢函數(shù)，判斷目前是否可以進行非阻塞的讀取或寫入*/ 21 unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); 22 23 /*執(zhí)行設備的I/O命令*/ 24 int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); 25 26 27 long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); 28 long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); 29 30 /*用于請求將設備內存映射到進程地址空間*/ 31 int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); 32 33 /*打開設備文件*/ 34 int (*open) (struct inode *, struct file *); 35 int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id); 36 37 /*關閉設備文件*/ 38 int (*release) (struct inode *, struct file *); 39 40 41 int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); 42 int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync); 43 int (*fasync) (int, struct file *, int); 44 int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); 45 ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); 46 unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long); 47 int (*check_flags)(int); 48 int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *); 49 ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int); 50 ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int); 51 int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **); 52 }; View Code

4.5 file結構

?file? 結構代表一個打開的文件，它的特點是一個文件可以對應多個file結構。它由內核再open時創(chuàng)建，并傳遞給在該文件上操作的所有函數(shù)，直到最后close函數(shù)，在文件的所有實例都被關閉之后，內核才釋放這個數(shù)據(jù)結構。

????在內核源代碼中，指向 struct file 的指針通常比稱為filp，file結構有以下幾個重要的成員：

1 struct file{ 2 3 mode_t fmode; /*文件模式，如FMODE_READ，FMODE_WRITE*/ 4 5 ...... 6 7 loff_t f_pos; /*loff_t 是一個64位的數(shù)，需要時，須強制轉換為32位*/ 8 9 unsigned int f_flags; /*文件標志，如：O_NONBLOCK*/ 10 11 struct file_operations *f_op; 12 13 void *private_data; /*非常重要，用于存放轉換后的設備描述結構指針*/ 14 15 ....... 16 17 }; View Code

4.6 inode 結構

????? 內核用inode 結構在內部表示文件，它是實實在在的表示物理硬件上的某一個文件，且一個文件僅有一個inode與之對應，同樣它有二個比較重要的成員：

1 struct inode{ 2 3 dev_t i_rdev; /*設備編號*/ 4 5 struct cdev *i_cdev; /*cdev 是表示字符設備的內核的內部結構*/ 6 7 }; 8 9 可以從inode中獲取主次設備號，使用下面二個宏： 10 11 /*驅動工程師一般不關心這二個宏*/ 12 13 unsigned int imajor(struct inode *inode); 14 15 unsigned int iminor(struct inode *inode); View Code

4.7字符設備驅動模塊加載與卸載函數(shù)

????? 在字符設備驅動模塊加載函數(shù)中應該實現(xiàn)設備號的申請和cdev 結構的注冊，而在卸載函數(shù)中應該實現(xiàn)設備號的釋放與cdev結構的注銷。

??????我們一般習慣將cdev內嵌到另外一個設備相關的結構體里面，該設備包含所涉及的cdev、私有數(shù)據(jù)及信號量等等信息。常見的設備結構體、模塊加載函數(shù)、模塊卸載函數(shù)形式如下：

1 /*設備結構體*/ 2 3 struct xxx_dev{ 4 5 struct cdev cdev; 6 7 char *data; 8 9 struct semaphore sem; 10 11 ...... 12 13 }; 14 15 16 17 /*模塊加載函數(shù)*/ 18 19 static int __init xxx_init(void) 20 21 { 22 23 ....... 24 25 初始化cdev結構; 26 27 申請設備號； 28 29 注冊設備號； 30 31 32 33 申請分配設備結構體的內存； /*非必須*/ 34 35 } 36 37 38 39 /*模塊卸載函數(shù)*/ 40 41 static void __exit xxx_exit(void) 42 43 { 44 45 ....... 46 47 釋放原先申請的設備號； 48 49 釋放原先申請的內存； 50 51 注銷cdev設備； 52 53 } 54 55 View Code

4.8字符設備驅動的 file_operations 結構體重成員函數(shù)

1 /*讀設備*/ 2 3 ssize_t xxx_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) 4 5 { 6 7 ...... 8 9 使用filp->private_data獲取設備結構體指針； 10 11 分析和獲取有效的長度； 12 13 /*內核空間到用戶空間的數(shù)據(jù)傳遞*/ 14 15 copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long count); 16 17 ...... 18 19 } 20 21 /*寫設備*/ 22 23 ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) 24 25 { 26 27 ...... 28 29 使用filp->private_data獲取設備結構體指針； 30 31 分析和獲取有效的長度； 32 33 /*用戶空間到內核空間的數(shù)據(jù)傳遞*/ 34 35 copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count); 36 37 ...... 38 39 } 40 41 /*ioctl函數(shù)*/ 42 43 static int xxx_ioctl(struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg) 44 45 { 46 47 ...... 48 49 switch(cmd){ 50 51 case xxx_CMD1: 52 53 ...... 54 55 break; 56 57 case xxx_CMD2: 58 59 ....... 60 61 break; 62 63 default: 64 65 return -ENOTTY; /*不能支持的命令*/ 66 67 } 68 69 return 0; 70 71 } View Code

4.9、字符設備驅動文件操作結構體模板

1 struct file_operations xxx_fops = { 2 3 .owner = THIS_MODULE, 4 5 .open = xxx_open, 6 7 .read = xxx_read, 8 9 .write = xxx_write, 10 11 .close = xxx_release, 12 13 .ioctl = xxx_ioctl, 14 15 .lseek = xxx_llseek, 16 17 }; 18 19 上面的寫法需要注意二點，一：結構體成員之間是以逗號分開的而不是分號，結構體字段結束時最后應加上分號。 View Code

五、字符設備驅動小結：

　　字符設備是3大類設備（字符設備、塊設備、網絡設備）中較簡單的一類設備，其驅動程序中完成的主要工作是初始化、添加和刪除cdev結構體，申請和釋放設備號，以及填充file_operation結構體中操作函數(shù)，并實現(xiàn)file_operations結構體中的read()、write()、ioctl()等重要函數(shù)。如圖所示為cdev結構體、file_operations和用戶空間調用驅動的關系。

創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎勵來咯，堅持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎

總結

以上是生活随笔為你收集整理的蜕变成蝶~Linux设备驱动之字符设备驱动的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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