linux驱动程序之字符驱动

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首先讲述一下驱动程序的概念。

, O* D+ m/ l/ X* A* a. ^8 S驱动程序实际上就是硬件与应用程序之间的中间层。驱动程序工作在内核空间，应用程序一般运行于用户态。在内核态下，CPU可执行任何指令，在用户态下CPU只能执行非特权指令。当CPU处于内核态，可以随意进入用户态，而当CPU处于用户态，只能通过特殊的方式进入内核态，比如linux操作系统中的系统调用。系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。

Linux支持三类硬件设备：字符设备、块设备及网络设备。首先学习一下字符设备驱动的编写。

. S. V. A6 z6 Y4 e0 ]8 M3 \一、字符设备注册
在linux 2.6内核中采用的是以下函数进行字符设备注册，而对于新版本的字符设备注册改成新的注册方式。
% K" [& D9 H# i' U. g' D
: B7 e; Z$ o1 _+ q! C- p
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations
*fops);
  M0 \: {* G6 Q! ^新的注册方式：
7 h% ]+ ^) s/ g: R% p$ N$ l
* ?: |7 C  M% c# [0 K8 B（1）在linux内核中使用结构体cdev结构来描述字符设备，在驱动程序中必须将已分配到的设备号以及设备操作接口赋予struct cdev结构变量。首先使用cdev_alloc()函数向系统
# }+ S1 h) ?; d5 L- q9 p% C) V
+ B6 ~5 M) \& z# `' ~申请分配struct cdev结构，函数原型为：

struct cdev *cdev_alloc(void);
7 V- t  ?  a) B" k$ I+ b（2）初始化struct cdev，并与file_operations结构关联起来，即赋值cdev.owner=THIS_MODULE，函数原型为：

' i5 V: F, l1 G& Y" o: R' t* \void cdev_init(struct cdev *cdev,struct file_operations *fops);
（3）调用cdev_add()函数将设备号与struct cdev结构进行关联并向内核正式报告新设备的注册。
. S8 _8 g% S8 I, C
int cdev_add(struct cdev *cdev, dev_t num, unsigned int count);
, N! [) S9 s) H; n7 K4 ?//成功返回0，出错返回-1
//cdev：需要初始化/注册/删除的struct cdev结构
//fops:该字符设备的file_opertions结构
/ V! M! ?$ Q4 N& I- D//num：系统给该设备分配的第一个设备号
& i( L1 K. i+ M//count：该设备对应的设备号数量
! e. Q) H: Z1 R0 ~1 Y$ H, y" C（4）删除一个设备则要调用cdev_del()函数。

* \  N) y% F+ w* z4 u; V! y' P# bvoid cdev_del(struct cdev *dev);
9 s& s+ h. y% ^8 X  T1 Y二、设备的打开和释放
/ [. b9 h/ ?) n. ?! C打开设备的函数接口是open，函数原型为：
& K3 r5 T7 p5 F! m1 ystatic int device_open(struct inode *inode, struct file *file)
, A& ?* |, q/ `& G( D
& y: v1 a7 {" a) V主要完成如下工作：
4 i/ T* j7 X- w. t$ u( i  m
（1）递增计数器，检查错误；
9 Q" A' E' O4 I
（2）如果未初始化，则进行初始化；

% h0 ^* b/ R; q% M# e" N7 B; Q. v9 ~: k（3）识别次设备号，如果必要，更新f_op指针；
% I% H6 Y( J  D2 s
3 y+ @& q' N8 h% z3 O) H0 `6 V6 o+ J（4）分配并填写被置于filp->private_data的数据结构

其中递增计数器是用于设备计数的。由于设备在使用时通常会打开多次，也可以由不同的进程所使用，所以若有一进程想要删除该设备，则必须保证其他设备没有使用该设备。

释放设备设备的函数接口是release，函数原型为：
% z8 J- v, t: s# f, Bstatic int device_release(struct inode *inode, struct file *file)
* _+ x+ R. `6 L2 l+ }& \; y
; \: X2 D" ?& D2 Y, H+ i主要完成工作：
/ B" i* B$ a; }( a4 ^% U/ ]
（1）递减计数器；
- V$ ?+ J* W' K1 G( B3 k
（2）释放打开设备时系统所分配的内存空间；

  x4 g1 Y' K5 U8 L5 T& j2 p2 f（3）在最后一次释放设备操作时关闭设备
/ l$ S. k& l! J* \+ U2 }
% ^( b* J+ s% O' O4 A三、读写设备
读写设备的主要任务就是把内核空间的数据复制到用户空间，或者从用户空间复制到内核空间，函数原型为:
5 q+ E2 ?1 n9 Y; b+ g  k- @
ssize_t (*read)(struct file *filp, char *buff, size_t count, loff_t *offp);
' M0 H% x! A4 m5 M2 P
! n+ k8 k: {  c0 z; I/ ossize_t (*write)(struct file *filp,const char *buff, size_t count, loff_t *offp);

$ o$ }, V; |- A$ i6 \( W5 e这里重点说明一下buff指的是用户空间指针，不能被内核代码直接引用。有如下理由：

0 R4 U; N% J8 o% O（1）依赖于你的驱动运行的体系，用户空间指针当运行于内核模式可能根本是无效的，可能没有那个地址的映射，或者它可能指向一些其他的随机数据。
4 t5 h) q  L3 a9 W
（2）就算这个指针在内核空间是同样的东西，用户空间内存是分页的，在做系统调用时，这个内存可能没有在RAM中。试图直接引用用户空间内存可能产生一个页面错，这是内核代码不允许做的事情，导致进行系统调用的进程死亡。
! w# @8 z5 @& m  a% O
其中的读设备的意思就是把数据从内核空间复制到用户空间，而写设备是把数据从用户空间复制到内核空间，这里用到的函数原型为(在asm/uaccess.h)中定义：

, S0 v6 d% p4 Q8 H' Nunsigned long copy_to_user(void *to, const void *from, unsigned long count);
9 ?: ]/ E8 V& X+ O5 _& Y$ U
unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long count);
) m8 y2 @5 u$ e5 n% i3 i5 A8 f
+ `( T& E. |0 d4 x8 e, K8 A0 T4 Rint put_user(dataum,ptr);

int get_user(local,ptr);
1 O9 ~& B: O* Z) K4 D
0 x, t6 T0 Y$ l* f; c//内核空间和用户空间的单值交互（如char、int、long）
四、IO控制函数
IO控制函数包括对设备的所有操作，包括设置设备、读写设备等等，这样最大的好处就是给了应用程序一个统一的接口，让应用程序编写非常简单而且易懂。函数原型为：

: j- @; l" j0 g8 G" B; T% ustatic int device_ioctl(struct inode *inode,    /* see include/linux/fs.h */
         struct file *file,    /* ditto */
         unsigned int ioctl_num,    /* number and param for ioctl */
         unsigned long ioctl_param)
1 L7 c6 M* j5 r: H8 D1 B7 ^
& N( U; t, }  R) C9 i5 v; P4 nioctl_num表示IO控制的类型，可以为IOCTL_SET_MSG、IOCTL_SET_DISP_WAIT、IOCTL_GET_MSG、IOCTL_GET_NTH_BYTE等等，这里仅仅举个例子。
0 z6 g% |# W, z( C( X
ioctl_param参数表示传入的参数。
" m2 Y- s$ ~6 n  R" t
这里有一个比较重要的概念就是ioctl命令号。
8 B/ i0 b0 D7 h, ^* G
' S# T5 @1 q+ O5 T/ f2 e( aioctl命令号
3 v6 L) l- ^+ lioctl命令号是这个函数中最重要的参数，它描述的ioctl要处理的命令。linux中使用一个32位的数据来编码ioctl命令，它包含四个部分：dir，type，nr，size

dir：
代表数据传输的方向，占2位，可以是_IOC_NONE(无数据传输，OU)，_IOC_WRITE(向设备写数据)或_IOC_READ(从设备读数据)或者他们的逻辑组合，当然这里只有_IOC_WRITE和_IOC_READ的组合才有意义。
( ]% R4 a2 N1 {- o
type：
描述ioctl命令的类型，8bit。每种设备或系统都可以指定自己的一个类型号，ioctl用这个类型来表示ioctl命令所属的设备或驱动。

+ U5 u1 c& X2 e& i) |nr
ioctl命令序号，一般8bit，对于一个指定的设备驱动，可以对他的ioctl命令做一个顺序编码，一般从零开始，这个编码就是ioctl命令的序号。
: i, A& P2 ^) v5 o% r" B8 F; |
size
ioctl命令的参数大小，一般为14位。ioctl命令号的这个数据成员不是强制使用的，你可以不使用它，但是建议你指定这个数据成员，通过它可以检查用户空间数据的大小以避免错误的数据操作，也可以实现兼容旧版本的ioctl命令。

对于自己写的驱动，如果需要使用特定的ioctl命令，则必须创建ioctl命令以及编号。内核中给出了创建ioctl命令的宏。

! e  ^$ r) h7 ~6 [9 C5 h; p/* used to create numbers */
#define _IO(type,nr)            _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)
#define _IOR(type,nr,size)      _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))
% M: m9 l. m. n" A" H5 A$ t2 \#define _IOW(type,nr,size)      _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))
; F" G( Q6 p* P$ m6 q#define _IOWR(type,nr,size)     _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))
#define _IOR_BAD(type,nr,size)  _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),sizeof(size))
6 x+ d- r/ W  F' r+ b  m& [8 @; C#define _IOW_BAD(type,nr,size)  _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))
#define _IOWR_BAD(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))
4 K; b6 q* S( q4 e
总结：上述是基本的字符驱动编写基本知识，针对具体的字符驱动，涉及到具体硬件的一些设置，里面的读写函数以及设置函数都有很多区别，而且大部分都要用到延迟，因为所有的串行硬件设备都是工作在KHZ的频率上，而CPU已经工作在GHZ的水平，所以，这里需要进行软延迟。另外可能还有就是中断方式。

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