【Linux驅(qū)動(dòng)】字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)
前面我發(fā)的那些文章寫(xiě)的LED，按鍵，蜂鳴器這些驅(qū)動(dòng)統(tǒng)稱為字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，那么今天我們就來(lái)看看字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)和如何來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)：
一、linux系統(tǒng)將設(shè)備分為3類：字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。使用驅(qū)動(dòng)程序：
1、字符設(shè)備：是指只能一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)讀寫(xiě)的設(shè)備，不能隨機(jī)讀取設(shè)備內(nèi)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(shè)備是面向流的設(shè)備，常見(jiàn)的字符設(shè)備有鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、串口、控制臺(tái)和LED設(shè)備等。
2、塊設(shè)備：是指可以從設(shè)備的任意位置讀取一定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的設(shè)備。塊設(shè)備包括硬盤(pán)、磁盤(pán)、U盤(pán)和SD卡等。
每一個(gè)字符設(shè)備或塊設(shè)備都在/dev目錄下對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備文件。linux用戶程序通過(guò)設(shè)備文件（或稱設(shè)備節(jié)點(diǎn)）來(lái)使用驅(qū)動(dòng)程序操作字符設(shè)備和塊設(shè)備。
3、字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型
二、字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序基礎(chǔ):
1、主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)（二者一起為設(shè)備號(hào)）：
一個(gè)字符設(shè)備或塊設(shè)備都有一個(gè)主設(shè)備號(hào)和一個(gè)次設(shè)備號(hào)。主設(shè)備號(hào)用來(lái)標(biāo)識(shí)與設(shè)備文件相連的驅(qū)動(dòng)程序，用來(lái)反映設(shè)備類型。次設(shè)備號(hào)被驅(qū)動(dòng)程序用來(lái)辨別操作的是哪個(gè)設(shè)備，用來(lái)區(qū)分同類型的設(shè)備。
linux內(nèi)核中，設(shè)備號(hào)用dev_t來(lái)描述，2.6.28中定義如下：
typedef u_long dev_t;
在32位機(jī)中是4個(gè)字節(jié)，高12位表示主設(shè)備號(hào)，低12位表示次設(shè)備號(hào)。
可以使用下列宏從dev_t中獲得主次設(shè)備號(hào)： 也可以使用下列宏通過(guò)主次設(shè)備號(hào)生成dev_t:
MAJOR(dev_t dev); MKDEV(int major,int minor);
MINOR(dev_t dev);
//宏定義：#define MINORBITS 20#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))
2、分配設(shè)備號(hào)（兩種方法）：
（1）靜態(tài)申請(qǐng)：
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)；
/** * register_chrdev_region() - register a range of device numbers * @from: the first in the desired range of device numbers; must include * the major number. * @count: the number of consecutive device numbers required * @name: the name of the device or driver. * * Return value is zero on success, a negative error code on failure. */
（2）動(dòng)態(tài)分配：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)；
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)； /** * alloc_chrdev_region() - register a range of char device numbers * @dev: output parameter for first assigned number * @baseminor: first of the requested range of minor numbers * @count: the number of minor numbers required * @name: the name of the associated device or driver * * Allocates a range of char device numbers. The major number will be * chosen dynamically, and returned (along with the first minor number) * in @dev. Returns zero or a negative error code. */
注銷設(shè)備號(hào)：
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)；
創(chuàng)建設(shè)備文件：
利用cat /proc/devices查看申請(qǐng)到的設(shè)備名，設(shè)備號(hào)。
（1）使用mknod手工創(chuàng)建：mknod filename type major minor
（2）自動(dòng)創(chuàng)建；
利用udev（mdev）來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備文件的自動(dòng)創(chuàng)建，首先應(yīng)保證支持udev（mdev），由busybox配置。在驅(qū)動(dòng)初始化代碼里調(diào)用class_create為該設(shè)備創(chuàng)建一個(gè)class，再為每個(gè)設(shè)備調(diào)用device_create創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的設(shè)備。
3、字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
（1）struct file：代表一個(gè)打開(kāi)的文件描述符，系統(tǒng)中每一個(gè)打開(kāi)的文件在內(nèi)核中都有一個(gè)關(guān)聯(lián)的struct file。它由內(nèi)核在open時(shí)創(chuàng)建，并傳遞給在文件上操作的任何函數(shù)，直到最后關(guān)閉。當(dāng)文件的所有實(shí)例都關(guān)閉之后，內(nèi)核釋放這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
//重要成員： const struct file_operations *f_op; //該操作是定義文件關(guān)聯(lián)的操作的。內(nèi)核在執(zhí)行open時(shí)對(duì)這個(gè)指針賦值。 off_t f_pos; //該文件讀寫(xiě)位置。void *private_data;//該成員是系統(tǒng)調(diào)用時(shí)保存狀態(tài)信息非常有用的資源。
（2）struct inode:用來(lái)記錄文件的物理信息。它和代表打開(kāi)的file結(jié)構(gòu)是不同的。一個(gè)文件可以對(duì)應(yīng)多個(gè)file結(jié)構(gòu)，但只有一個(gè)inode結(jié)構(gòu)。inode一般作為file_operations結(jié)構(gòu)中函數(shù)的參數(shù)傳遞過(guò)來(lái)。
inode譯成中文就是索引節(jié)點(diǎn)。每個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備或存儲(chǔ)設(shè)備的分區(qū)（存儲(chǔ)設(shè)備是硬盤(pán)、軟盤(pán)、U盤(pán) ... ... ）被格式化為文件系統(tǒng)后，應(yīng)該有兩部份，一部份是inode，另一部份是Block，Block是用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用的。而inode呢，就是用來(lái)存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)的信息，這些信息包括文件大小、屬主、歸屬的用戶組、讀寫(xiě)權(quán)限等。inode為每個(gè)文件進(jìn)行信息索引，所以就有了inode的數(shù)值。操作系統(tǒng)根據(jù)指令，能通過(guò)inode值最快的找到相對(duì)應(yīng)的文件。
dev_t i_rdev; //對(duì)表示設(shè)備文件的inode結(jié)構(gòu)，該字段包含了真正的設(shè)備編號(hào)。struct cdev *i_cdev; //是表示字符設(shè)備的內(nèi)核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)inode指向一個(gè)字符設(shè)備文件時(shí)，該字段包含了指向struct cdev結(jié)構(gòu)的指針。//我們也可以使用下邊兩個(gè)宏從inode中獲得主設(shè)備號(hào)和此設(shè)備號(hào)：unsigned int iminor(struct inode *inode); unsigned int imajor(struct inode *inode);
（3）struct file_operations
本部分來(lái)源于：http://blog.chinaunix.net/space.php?uid=20729583&do=blog&id=1884550，感謝chinahhucai的分享。
struct file_operations ***_ops={ .owner = THIS_MODULE, .llseek = ***_llseek, .read = ***_read, .write = ***_write, .ioctl = ***_ioctl, .open = ***_open, .release = ***_release, 。。。 。。。 };struct module *owner; /*第一個(gè) file_operations 成員根本不是一個(gè)操作; 它是一個(gè)指向擁有這個(gè)結(jié)構(gòu)的模塊的指針. 這個(gè)成員用來(lái)在它的操作還在被使用時(shí)阻止模塊被卸載. 幾乎所有時(shí)間中, 它被簡(jiǎn)單初始化為 THIS_MODULE, 一個(gè)在 <linux/module.h> 中定義的宏.這個(gè)宏比較復(fù)雜，在進(jìn)行簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)操作的時(shí)候，一般初始化為T(mén)HIS_MODULE。*/loff_t (*llseek) (struct file * filp , loff_t p, int orig);/*(指針參數(shù)filp為進(jìn)行讀取信息的目標(biāo)文件結(jié)構(gòu)體指針；參數(shù) p 為文件定位的目標(biāo)偏移量；參數(shù)orig為對(duì)文件定位 的起始地址，這個(gè)值可以為文件開(kāi)頭（SEEK_SET，0,當(dāng)前位置(SEEK_CUR,1)，文件末尾(SEEK_END,2)） llseek 方法用作改變文件中的當(dāng)前讀/寫(xiě)位置, 并且新位置作為(正的)返回值. loff_t 參數(shù)是一個(gè)"long offset", 并且就算在 32位平臺(tái)上也至少 64 位寬. 錯(cuò)誤由一個(gè)負(fù)返回值指示. 如果這個(gè)函數(shù)指針是 NULL, seek 調(diào)用會(huì)以潛在地?zé)o法預(yù)知的方式修改 file 結(jié)構(gòu)中的位置計(jì)數(shù)器( 在"file 結(jié)構(gòu)" 一節(jié)中描述).*/ssize_t (*read) (struct file * filp, char __user * buffer, size_t size , loff_t * p);/*(指針參數(shù) filp 為進(jìn)行讀取信息的目標(biāo)文件，指針參數(shù)buffer 為對(duì)應(yīng)放置信息的緩沖區(qū)（即用戶空間內(nèi)存地址）， 參數(shù)size為要讀取的信息長(zhǎng)度，參數(shù) p 為讀的位置相對(duì)于文件開(kāi)頭的偏移，在讀取信息后，這個(gè)指針一般都會(huì)移動(dòng)，移動(dòng)的值為要讀取信息的長(zhǎng)度值） 這個(gè)函數(shù)用來(lái)從設(shè)備中獲取數(shù)據(jù). 在這個(gè)位置的一個(gè)空指針導(dǎo)致 read 系統(tǒng)調(diào)用以 -EINVAL("Invalid argument") 失敗. 一個(gè)非負(fù)返回值代表了成功讀取的字節(jié)數(shù)( 返回值是一個(gè) "signed size" 類型, 常常是目標(biāo)平臺(tái)本地的整數(shù)類型).*/ssize_t (*aio_read)(struct kiocb * , char __user * buffer, size_t size , loff_t p);/*可以看出，這個(gè)函數(shù)的第一、三個(gè)參數(shù)和本結(jié)構(gòu)體中的read()函數(shù)的第一、三個(gè)參數(shù)是不同 的， 異步讀寫(xiě)的第三個(gè)參數(shù)直接傳遞值，而同步讀寫(xiě)的第三個(gè)參數(shù)傳遞的是指針，因?yàn)锳IO從來(lái)不需要改變文件的位置。 異步讀寫(xiě)的第一個(gè)參數(shù)為指向kiocb結(jié)構(gòu)體的指針，而同步讀寫(xiě)的第一參數(shù)為指向file結(jié)構(gòu)體的指針，每一個(gè)I/O請(qǐng)求都對(duì)應(yīng)一個(gè)kiocb結(jié)構(gòu)體); 初始化一個(gè)異步讀 -- 可能在函數(shù)返回前不結(jié)束的讀操作.如果這個(gè)方法是 NULL, 所有的操作會(huì)由 read 代替進(jìn)行(同步地). (有關(guān)linux異步I/O，可以參考有關(guān)的資料，《linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)詳解》中給出了詳細(xì)的解答)*/ssize_t (*write) (struct file * filp, const char __user * buffer, size_t count, loff_t * ppos);/*(參數(shù)filp為目標(biāo)文件結(jié)構(gòu)體指針，buffer為要寫(xiě)入文件的信息緩沖區(qū)，count為要寫(xiě)入信息的長(zhǎng)度， ppos為當(dāng)前的偏移位置，這個(gè)值通常是用來(lái)判斷寫(xiě)文件是否越界） 發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備. 如果 NULL, -EINVAL 返回給調(diào)用 write 系統(tǒng)調(diào)用的程序. 如果非負(fù), 返回值代表成功寫(xiě)的字節(jié)數(shù). (注：這個(gè)操作和上面的對(duì)文件進(jìn)行讀的操作均為阻塞操作）*/ssize_t (*aio_write)(struct kiocb *, const char __user * buffer, size_t count, loff_t * ppos);/*初始化設(shè)備上的一個(gè)異步寫(xiě).參數(shù)類型同aio_read()函數(shù);*/int (*readdir) (struct file * filp, void *, filldir_t);/*對(duì)于設(shè)備文件這個(gè)成員應(yīng)當(dāng)為 NULL; 它用來(lái)讀取目錄, 并且僅對(duì)文件系統(tǒng)有用.*/unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);/*(這是一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的輪詢函數(shù)，第一個(gè)參數(shù)為file結(jié)構(gòu)指針，第二個(gè)為輪詢表指針） 這個(gè)函數(shù)返回設(shè)備資源的可獲取狀態(tài)，即POLLIN，POLLOUT，POLLPRI，POLLERR，POLLNVAL等宏的位“或”結(jié)果。 每個(gè)宏都表明設(shè)備的一種狀態(tài)，如：POLLIN（定義為0x0001）意味著設(shè)備可以無(wú)阻塞的讀，POLLOUT（定義為0x0004）意味著設(shè)備可以無(wú)阻塞的寫(xiě)。 (poll 方法是 3 個(gè)系統(tǒng)調(diào)用的后端: poll, epoll, 和 select, 都用作查詢對(duì)一個(gè)或多個(gè)文件描述符的讀或?qū)懯欠駮?huì)阻塞. poll 方法應(yīng)當(dāng)返回一個(gè)位掩碼指示是否非阻塞的讀或?qū)懯强赡艿? 并且, 可能地, 提供給內(nèi)核信息用來(lái)使調(diào)用進(jìn)程睡眠直到 I/O 變?yōu)榭赡? 如果一個(gè)驅(qū)動(dòng)的 poll 方法為 NULL, 設(shè)備假定為不阻塞地可讀可寫(xiě). (這里通常將設(shè)備看作一個(gè)文件進(jìn)行相關(guān)的操作，而輪詢操作的取值直接關(guān)系到設(shè)備的響應(yīng)情況，可以是阻塞操作結(jié)果，同時(shí)也可以是非阻塞操作結(jié)果）*/int (*ioctl) (struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);/*(inode 和 filp 指針是對(duì)應(yīng)應(yīng)用程序傳遞的文件描述符 fd 的值, 和傳遞給 open 方法的相同參數(shù). cmd 參數(shù)從用戶那里不改變地傳下來(lái), 并且可選的參數(shù) arg 參數(shù)以一個(gè) unsigned long 的形式傳遞, 不管它是否由用戶給定為一個(gè)整數(shù)或一個(gè)指針. 如果調(diào)用程序不傳遞第 3 個(gè)參數(shù), 被驅(qū)動(dòng)操作收到的 arg 值是無(wú)定義的. 因?yàn)轭愋蜋z查在這個(gè)額外參數(shù)上被關(guān)閉, 編譯器不能警告你如果一個(gè)無(wú)效的參數(shù)被傳遞給 ioctl, 并且任何關(guān)聯(lián)的錯(cuò)誤將難以查找.） ioctl 系統(tǒng)調(diào)用提供了發(fā)出設(shè)備特定命令的方法(例如格式化軟盤(pán)的一個(gè)磁道, 這不是讀也不是寫(xiě)). 另外, 幾個(gè) ioctl 命令被內(nèi)核識(shí)別而不必引用 fops 表. 如果設(shè)備不提供 ioctl 方法, 對(duì)于任何未事先定義的請(qǐng)求(-ENOTTY, "設(shè)備無(wú)這樣的 ioctl"), 系統(tǒng)調(diào)用返回一個(gè)錯(cuò)誤.*/int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);/*mmap 用來(lái)請(qǐng)求將設(shè)備內(nèi)存映射到進(jìn)程的地址空間. 如果這個(gè)方法是 NULL, mmap 系統(tǒng)調(diào)用返回 -ENODEV. (如果想對(duì)這個(gè)函數(shù)有個(gè)徹底的了解，那么請(qǐng)看有關(guān)“進(jìn)程地址空間”介紹的書(shū)籍)*/int (*open) (struct inode * inode , struct file * filp ) ;/*(inode 為文件節(jié)點(diǎn),這個(gè)節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，無(wú)論用戶打開(kāi)多少個(gè)文件，都只是對(duì)應(yīng)著一個(gè)inode結(jié)構(gòu)； 但是filp就不同，只要打開(kāi)一個(gè)文件，就對(duì)應(yīng)著一個(gè)file結(jié)構(gòu)體，file結(jié)構(gòu)體通常用來(lái)追蹤文件在運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)信息） 盡管這常常是對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行的第一個(gè)操作, 不要求驅(qū)動(dòng)聲明一個(gè)對(duì)應(yīng)的方法. 如果這個(gè)項(xiàng)是 NULL, 設(shè)備打開(kāi)一直成功, 但是你的驅(qū)動(dòng)不會(huì)得到通知. 與open()函數(shù)對(duì)應(yīng)的是release()函數(shù)。*/int (*flush) (struct file *);/*flush 操作在進(jìn)程關(guān)閉它的設(shè)備文件描述符的拷貝時(shí)調(diào)用; 它應(yīng)當(dāng)執(zhí)行(并且等待)設(shè)備的任何未完成的操作. 這個(gè)必須不要和用戶查詢請(qǐng)求的 fsync 操作混淆了. 當(dāng)前, flush 在很少驅(qū)動(dòng)中使用; SCSI 磁帶驅(qū)動(dòng)使用它, 例如, 為確保所有寫(xiě)的數(shù)據(jù)在設(shè)備關(guān)閉前寫(xiě)到磁帶上. 如果 flush 為 NULL, 內(nèi)核簡(jiǎn)單地忽略用戶應(yīng)用程序的請(qǐng)求.*/int (*release) (struct inode *, struct file *);/*release ()函數(shù)當(dāng)最后一個(gè)打開(kāi)設(shè)備的用戶進(jìn)程執(zhí)行close()系統(tǒng)調(diào)用的時(shí)候，內(nèi)核將調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序release()函數(shù)： void release(struct inode inode,struct file *file),release函數(shù)的主要任務(wù)是清理未結(jié)束的輸入輸出操作，釋放資源，用戶自定義排他標(biāo)志的復(fù)位等。 在文件結(jié)構(gòu)被釋放時(shí)引用這個(gè)操作. 如同 open, release 可以為 NULL.*/int(*synch)(struct file *,struct dentry *,int datasync);//刷新待處理的數(shù)據(jù),允許進(jìn)程把所有的臟緩沖區(qū)刷新到磁盤(pán)。int (*aio_fsync)(struct kiocb *, int); /*這是 fsync 方法的異步版本.所謂的fsync方法是一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。系統(tǒng)調(diào)用fsync 把文件所指定的文件的所有臟緩沖區(qū)寫(xiě)到磁盤(pán)中（如果需要，還包括存有索引節(jié)點(diǎn)的緩沖區(qū)）。 相應(yīng)的服務(wù)例程獲得文件對(duì)象的地址，并隨后調(diào)用fsync方法。通常這個(gè)方法以調(diào)用函數(shù)__writeback_single_inode()結(jié)束， 這個(gè)函數(shù)把與被選中的索引節(jié)點(diǎn)相關(guān)的臟頁(yè)和索引節(jié)點(diǎn)本身都寫(xiě)回磁盤(pán)。*/int (*fasync) (int, struct file *, int);//這個(gè)函數(shù)是系統(tǒng)支持異步通知的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，下面是這個(gè)函數(shù)的模板：static int ***_fasync(int fd,struct file *filp,int mode) { struct ***_dev * dev=filp->private_data; return fasync_helper(fd,filp,mode,&dev->async_queue);//第四個(gè)參數(shù)為 fasync_struct結(jié)構(gòu)體指針的指針。//這個(gè)函數(shù)是用來(lái)處理FASYNC標(biāo)志的函數(shù)。（FASYNC：表示兼容BSD的fcntl同步操作）當(dāng)這個(gè)標(biāo)志改變時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序中的fasync（）函數(shù)將得到執(zhí)行。}/*此操作用來(lái)通知設(shè)備它的 FASYNC 標(biāo)志的改變. 異步通知是一個(gè)高級(jí)的主題, 在第 6 章中描述. 這個(gè)成員可以是NULL 如果驅(qū)動(dòng)不支持異步通知.*/int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);//lock 方法用來(lái)實(shí)現(xiàn)文件加鎖; 加鎖對(duì)常規(guī)文件是必不可少的特性, 但是設(shè)備驅(qū)動(dòng)幾乎從不實(shí)現(xiàn)它.ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);/*這些方法實(shí)現(xiàn)發(fā)散/匯聚讀和寫(xiě)操作. 應(yīng)用程序偶爾需要做一個(gè)包含多個(gè)內(nèi)存區(qū)的單個(gè)讀或?qū)懖僮? 這些系統(tǒng)調(diào)用允許它們這樣做而不必對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行額外拷貝. 如果這些函數(shù)指針為 NULL, read 和 write 方法被調(diào)用( 可能多于一次 ).*/ssize_t (*sendfile)(struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *);/*這個(gè)方法實(shí)現(xiàn) sendfile 系統(tǒng)調(diào)用的讀, 使用最少的拷貝從一個(gè)文件描述符搬移數(shù)據(jù)到另一個(gè). 例如, 它被一個(gè)需要發(fā)送文件內(nèi)容到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接的 web 服務(wù)器使用. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)常常使 sendfile 為 NULL.*/ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);/*sendpage 是 sendfile 的另一半; 它由內(nèi)核調(diào)用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù), 一次一頁(yè), 到對(duì)應(yīng)的文件. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)際上不實(shí)現(xiàn) sendpage.*/unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);/*這個(gè)方法的目的是在進(jìn)程的地址空間找一個(gè)合適的位置來(lái)映射在底層設(shè)備上的內(nèi)存段中. 這個(gè)任務(wù)通常由內(nèi)存管理代碼進(jìn)行; 這個(gè)方法存在為了使驅(qū)動(dòng)能強(qiáng)制特殊設(shè)備可能有的任何的對(duì)齊請(qǐng)求. 大部分驅(qū)動(dòng)可以置這個(gè)方法為 NULL.[10]*/int (*check_flags)(int)//這個(gè)方法允許模塊檢查傳遞給 fnctl(F_SETFL...) 調(diào)用的標(biāo)志.int (*dir_notify)(struct file *, unsigned long);//這個(gè)方法在應(yīng)用程序使用 fcntl 來(lái)請(qǐng)求目錄改變通知時(shí)調(diào)用. 只對(duì)文件系統(tǒng)有用; 驅(qū)動(dòng)不需要實(shí)現(xiàn) dir_notify.
三、字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)：
1.設(shè)備注冊(cè)：
在linux2.6內(nèi)核中，字符設(shè)備使用struct cdev來(lái)描述；
struct cdev { struct kobject kobj;//內(nèi)嵌的kobject對(duì)象 struct module *owner;//所屬模塊 struct file_operations *ops;//文件操作結(jié)構(gòu)體 struct list_head list; dev_t dev;//設(shè)備號(hào),長(zhǎng)度為32位，其中高12為主設(shè)備號(hào)，低20位為此設(shè)備號(hào) unsigned int count; };
字符設(shè)備的注冊(cè)分為三個(gè)步驟：
（1）分配cdev: struct cdev *cdev_alloc(void);
（2）初始化cdev： void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)；
（3）添加cdev： int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
/** * cdev_add() - add a char device to the system * @p: the cdev structure for the device * @dev: the first device number for which this device is responsible * @count: the number of consecutive minor numbers corresponding to this * device * * cdev_add() adds the device represented by @p to the system, making it * live immediately. A negative error code is returned on failure. */
2.設(shè)備操作的實(shí)現(xiàn)：file_operations函數(shù)集的實(shí)現(xiàn)（要明確某個(gè)函數(shù)什么時(shí)候被調(diào)用？調(diào)用來(lái)做什么操作？）
特別注意：驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換:
驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)交換是非常重要的。file_operations中的read()和write()函數(shù)，就是用來(lái)在驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序間交換數(shù)據(jù)的。通過(guò)數(shù)據(jù)交換，驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序可以彼此了解對(duì)方的情況。但是驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序?qū)儆诓煌牡刂房臻g。驅(qū)動(dòng)程序不能直接訪問(wèn)應(yīng)用程序的地址空間；同樣應(yīng)用程序也不能直接訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序的地址空間，否則會(huì)破壞彼此空間中的數(shù)據(jù)，從而造成系統(tǒng)崩潰，或者數(shù)據(jù)損壞。安全的方法是使用內(nèi)核提供的專用函數(shù)，完成數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序空間和驅(qū)動(dòng)程序空間的交換。這些函數(shù)對(duì)用戶程序傳過(guò)來(lái)的指針進(jìn)行了嚴(yán)格的檢查和必要的轉(zhuǎn)換，從而保證用戶程序與驅(qū)動(dòng)程序交換數(shù)據(jù)的安全性。這些函數(shù)有：
unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n); unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n); put_user(local,user); get_user(local,user);
3.設(shè)備注銷：void cdev_del(struct cdev *p)；
四、字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)小結(jié)：
字符設(shè)備是3大類設(shè)備（字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）中較簡(jiǎn)單的一類設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)程序中完成的主要工作是初始化、添加和刪除cdev結(jié)構(gòu)體，申請(qǐng)和釋放設(shè)備號(hào)，以及填充file_operation結(jié)構(gòu)體中操作函數(shù)，并實(shí)現(xiàn)file_operations結(jié)構(gòu)體中的read()、write()、ioctl()等重要函數(shù)。如圖所示為cdev結(jié)構(gòu)體、file_operations和用戶空間調(diào)用驅(qū)動(dòng)的關(guān)系。
五：字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序分析：
（1）memdev.h
#ifndef _MEMDEV_H_#define _MEMDEV_H_ #ifndef MEMDEV_MAJOR#define MEMDEV_MAJOR 251 /*預(yù)設(shè)的mem的主設(shè)備號(hào)*/#endif#ifndef MEMDEV_NR_DEVS#define MEMDEV_NR_DEVS 2 /*設(shè)備數(shù)*/#endif#ifndef MEMDEV_SIZE#define MEMDEV_SIZE 4096#endif/*mem設(shè)備描述結(jié)構(gòu)體*/struct mem_dev { char *data; unsigned long size; };#endif /* _MEMDEV_H_ */
(2)memdev.c
static mem_major = MEMDEV_MAJOR; module_param(mem_major, int, S_IRUGO);struct mem_dev *mem_devp; /*設(shè)備結(jié)構(gòu)體指針*/struct cdev cdev; /*文件打開(kāi)函數(shù)*/int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp) { struct mem_dev *dev; /*獲取次設(shè)備號(hào)*/ int num = MINOR(inode->i_rdev); if (num >= MEMDEV_NR_DEVS) return -ENODEV; dev = &mem_devp[num]; /*將設(shè)備描述結(jié)構(gòu)指針賦值給文件私有數(shù)據(jù)指針*/ filp->private_data = dev; return 0; }/*文件釋放函數(shù)*/int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; }/*讀函數(shù)*/static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos) { unsigned long p = *ppos; /*記錄文件指針偏移位置*/ unsigned int count = size; /*記錄需要讀取的字節(jié)數(shù)*/ int ret = 0; /*返回值*/ struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*獲得設(shè)備結(jié)構(gòu)體指針*/ /*判斷讀位置是否有效*/ if (p >= MEMDEV_SIZE) /*要讀取的偏移大于設(shè)備的內(nèi)存空間*/ return 0; if (count > MEMDEV_SIZE - p) /*要讀取的字節(jié)大于設(shè)備的內(nèi)存空間*/ count = MEMDEV_SIZE - p; /*讀數(shù)據(jù)到用戶空間:內(nèi)核空間->用戶空間交換數(shù)據(jù)*/ if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count)) { ret = - EFAULT; } else { *ppos += count; ret = count; printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p); } return ret; }/*寫(xiě)函數(shù)*/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; struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*獲得設(shè)備結(jié)構(gòu)體指針*/ /*分析和獲取有效的寫(xiě)長(zhǎng)度*/ if (p >= MEMDEV_SIZE) return 0; if (count > MEMDEV_SIZE - p) /*要寫(xiě)入的字節(jié)大于設(shè)備的內(nèi)存空間*/ count = MEMDEV_SIZE - p; /*從用戶空間寫(xiě)入數(shù)據(jù)*/ if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count)) ret = - EFAULT; else { *ppos += count; /*增加偏移位置*/ ret = count; /*返回實(shí)際的寫(xiě)入字節(jié)數(shù)*/ printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p); } return ret; }/* seek文件定位函數(shù) */static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence) { loff_t newpos; switch(whence) { case 0: /* SEEK_SET */ /*相對(duì)文件開(kāi)始位置偏移*/ newpos = offset; /*更新文件指針位置*/ break; case 1: /* SEEK_CUR */ newpos = filp->f_pos + offset; break; case 2: /* SEEK_END */ newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset; break; default: /* can't happen */ return -EINVAL; } if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE)) return -EINVAL; filp->f_pos = newpos; return newpos; }/*文件操作結(jié)構(gòu)體*/static const struct file_operations mem_fops = { .owner = THIS_MODULE, .llseek = mem_llseek, .read = mem_read, .write = mem_write, .open = mem_open, .release = mem_release, };/*設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊加載函數(shù)*/static int memdev_init(void) { int result; int i; dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0); /* 申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)，當(dāng)xxx_major不為0時(shí)，表示靜態(tài)指定；當(dāng)為0時(shí)，表示動(dòng)態(tài)申請(qǐng)*/ /* 靜態(tài)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)*/ if (mem_major) result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev"); else /* 動(dòng)態(tài)分配設(shè)備號(hào) */ { result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev"); mem_major = MAJOR(devno); /*獲得申請(qǐng)的主設(shè)備號(hào)*/ } if (result < 0) return result; /*初始化cdev結(jié)構(gòu)，并傳遞file_operations結(jié)構(gòu)指針*/ cdev_init(&cdev, &mem_fops); cdev.owner = THIS_MODULE; /*指定所屬模塊*/ cdev.ops = &mem_fops; /* 注冊(cè)字符設(shè)備 */ cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS); /* 為設(shè)備描述結(jié)構(gòu)分配內(nèi)存*/ mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL); if (!mem_devp) /*申請(qǐng)失敗*/ { result = - ENOMEM; goto fail_malloc; } memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev)); /*為設(shè)備分配內(nèi)存*/ for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++) { mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE; mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL); memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE); } return 0; fail_malloc: unregister_chrdev_region(devno, 1); return result; }/*模塊卸載函數(shù)*/static void memdev_exit(void) { cdev_del(&cdev); /*注銷設(shè)備*/ kfree(mem_devp); /*釋放設(shè)備結(jié)構(gòu)體內(nèi)存*/ unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*釋放設(shè)備號(hào)*/} MODULE_AUTHOR("David Xie"); MODULE_LICENSE("GPL"); module_init(memdev_init); module_exit(memdev_exit);
(3)應(yīng)用程序(測(cè)試文件)：app-mem.c
#include <stdio.h>int main() { FILE *fp0 = NULL; char Buf[4096]; /*初始化Buf*/ strcpy(Buf,"Mem is char dev!"); printf("BUF: %s\n",Buf); /*打開(kāi)設(shè)備文件*/ fp0 = fopen("/dev/memdev0","r+"); if (fp0 == NULL) { printf("Open Memdev0 Error!\n"); return -1; } /*寫(xiě)入設(shè)備*/ fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0); /*重新定位文件位置（思考沒(méi)有該指令，會(huì)有何后果)*/ fseek(fp0,0,SEEK_SET); /*清除Buf*/ strcpy(Buf,"Buf is NULL!"); printf("BUF: %s\n",Buf); /*讀出設(shè)備*/ fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp0); /*檢測(cè)結(jié)果*/ printf("BUF: %s\n",Buf); return 0; }
測(cè)試步驟：
1)cat /proc/devices看看有哪些編號(hào)已經(jīng)被使用，我們選一個(gè)沒(méi)有使用的XXX。
2)insmod memdev.ko
3)通過(guò)"mknod /dev/memdev0 c XXX 0"命令創(chuàng)建"/dev/memdev0"設(shè)備節(jié)點(diǎn)。
4)交叉編譯app-mem.c文件，下載并執(zhí)行：
#./app-mem,顯示：
Mem is char dev!
參考網(wǎng)址：http://www.cnblogs.com/geneil/archive/2011/12/03/2272869.html
參考網(wǎng)址： http://blog.chinaunix.net/uid-26833883-id-4371047.html
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