ARM学习笔记之驱动程序篇七----字符设备驱动

1.11 字符设备驱动模型

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。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;//设备操作函数集
    struct list_head list;
    dev_t dev;//设备号
    unsigned int count;//设备数
};

字符设备驱动模型的整体框架：

                    

1.11.1 设备号

1，主设备号和次设备号

字符设备文件与字符驱动程序通过主设备号建立起对应关系；驱动程序通过次设备号区分同类型的设备。

2，分配设备号

（1）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。

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned baseminor,unsigned count,const char*name)
//参数
//dev:存放分配的设备号
//baseminor：次设备号的起始值
//count:设备数
//name:设备名

（2）动态申请

使用alloc_chrdev_region由内核分配一个可用的主设备号。优点：因为内核知道哪些号已经被使用了，所以不会导致分配到已经被使用的号。

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned baseminor,unsigned count,const char *name)
//参数:
//dev:设备号
//baseminor:次设备起始值
//count:设备数
//name:设备名

3，操作设备号

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位次设备号。

（1）由主设备号和次设备号组合成dev_t（类型）

dev_t dev=MKDEV(主设备号，次设备号)

（2）从dev_t中分解出主设备号

主设备号=MAJOR（dev_t dev）

（3）从dev_t中分解出次设备号

次设备号=MINOR(dev_t dev)

4，注销设备号

不论使用什么方法分配设备号，都应该在驱动退出时，使用unregister_chrdev_region函数释放这些设备号。

1.11.2 操作函数集

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。

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);
};

结构中的函数指针指向驱动程序中的函数，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,
};

1.11.3 字符设备初始化

1，分配描述结构cdev

（1）静态分配

struct cdev mdev;//直接定义一个struct cdev类型的变量。

（2）动态分配

struct cdev *pdev=cdev_alloc();//使用cdev_alloc()动态分配

2，初始化描述结构 cdev

struct cdv的初始化使用cdev_init函数来完成。

cdev_init(struct cdev *cdev,const struct file_opertations *fops)
//参数:
//cdev:待初始化的cdev结构 ; fops:设备对应的操作函数集

3，注册描述结构cdev

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

 1.11.4 实现设备操作

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，在文件关闭后释放。

loff_t f_pos;//文件读写指针
struct file_operation *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。

dev_t i_rdev;//设备号

注意：（1）从应用程序提供的地址中取出数据；（2）将数据写入设备中；

要使用专门的函数：（1）int copy_from_user(void *to,const void __user *from,int n)

（2）int copy_to_user(void __user*to,const void *from,int n)

1.11.5 驱动注销

当我们从内核中卸载驱动程序时候，需要使用cdev_del函数来完成字符设备的注销

1.11.6 使用字符驱动程序

1，编译/安装字符设备

 在Linux系统中，驱动程序通常采用内核模块的程序结构来进行编码。因此，编译/安装一个驱动程序，其实质就是编译/安装一个内核模块。

2， 字符设备文件

通过字符设备文件，应用程序可以使用相应的字符设备驱动程序来控制字符设备。创建字符设备文件的方法一般有两种：
（1）使用mknod命令

mknod /dev/文件名 c 主设备号 次设备号

（2）使用函数在驱动程序中创建

                                                   

1.11.7 内存操作驱动实例

    /**********************************/
   /*                                */
  /*            驱动程序             */
 /*                                */
/**********************************/
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>


int dev1_registers[5];
int dev2_registers[5];

struct cdev cdev; 
dev_t devno;

/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    
    /*获取次设备号*/
    int num = MINOR(inode->i_rdev);
    
    if (num==0)
        filp->private_data = dev1_registers;
    else if(num == 1)
        filp->private_data = dev2_registers;
    else
        return -ENODEV;  //无效的次设备号
    
    return 0; 
}

/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  return 0;
}

/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
  unsigned long p =  *ppos;
  unsigned int count = size;
  int ret = 0;
  int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器基地址*/

  /*判断读位置是否有效*/
  if (p >= 5*sizeof(int))
    return 0;
  if (count > 5*sizeof(int) - p)
    count = 5*sizeof(int) - p;

  /*读数据到用户空间*/
  if (copy_to_user(buf, register_addr+p, count))
  {
    ret = -EFAULT;
  }
  else
  {
    *ppos += count;
    ret = count;
  }

  return ret;
}

/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
  unsigned long p =  *ppos;
  unsigned int count = size;
  int ret = 0;
  int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器地址*/
  
  /*分析和获取有效的写长度*/
  if (p >= 5*sizeof(int))
    return 0;
  if (count > 5*sizeof(int) - p)
    count = 5*sizeof(int) - p;
    
  /*从用户空间写入数据*/
  if (copy_from_user(register_addr + p, buf, count))
    ret = -EFAULT;
  else
  {
    *ppos += count;
    ret = count;
  }

  return ret;
}

/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{ 
    loff_t newpos;

    switch(whence) {
      case SEEK_SET: 
        newpos = offset;
        break;

      case SEEK_CUR: 
        newpos = filp->f_pos + offset;
        break;

      case SEEK_END: 
        newpos = 5*sizeof(int)-1 + offset;
        break;

      default: 
        return -EINVAL;
    }
    if ((newpos<0) || (newpos>5*sizeof(int)))
    	return -EINVAL;
    	
    filp->f_pos = newpos;
    return newpos;

}

/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
  .llseek = mem_llseek,
  .read = mem_read,
  .write = mem_write,
  .open = mem_open,
  .release = mem_release,
};

/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
  /*初始化cdev结构*/
  cdev_init(&cdev, &mem_fops);
  
  /* 注册字符设备 */
  alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
  cdev_add(&cdev, devno, 2);
}

/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
  cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/
  unregister_chrdev_region(devno, 2); /*释放设备号*/
}

MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);


    /**********************************/
   /*                                */
  /*            应用程序             */
 /*                                */
/**********************************/
//write.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
	int fd = 0;
	int src = 2013;
	
	/*打开设备文件*/
	fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);
	
	/*写入数据*/
	write(fd, &src, sizeof(int));
	
	/*关闭设备*/
	close(fd);
	
	return 0;	

}

//read.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
	int fd = 0;
	int dst = 0;
	
	/*打开设备文件*/
	fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);
	
	/*写入数据*/
	read(fd, &dst, sizeof(int));
	
	printf("dst is %d\n",dst);
	
	/*关闭设备*/
	close(fd);
	
	return 0;	

}