Linux设备驱动开发总结（一）字符设备驱动结构

haidaowang · 发表于 2020-4-23 09:36

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Linux字符设备驱动结构

1.1 cdev结构体

   在Linux2.6 内核中，使用cdev结构体来描述一个字符设备，cdev结构体的定义如下：

struct cdev {

   struct kobject kobj;

   struct module *owner;  /*通常为THIS_MODULE*/

   struct file_operations *ops; /*在cdev_init()这个函数里面与cdev结构联系起来*/

   struct  list_head list;

   dev_t  dev;  /*设备号*/

   unsigned int count;

}；

   cdev 结构体的dev_t 成员定义了设备号，为32位，其中12位是主设备号，20位是次设备号，我们只需使用二个简单的宏就可以从dev_t 中获取主设备号和次设备号：

MAJOR(dev_t dev)

MINOR(dev_t dev)

相反地，可以通过主次设备号来生成dev_t：

MKDEV(int major,int minor)

1.2 Linux 2.6内核提供一组函数用于操作cdev 结构体：

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 *);

其中（1）用于初始化cdev结构体，并建立cdev与file_operations 之间的连接。（2）用于动态分配一个cdev结构，（3）向内核注册一个cdev结构，（4）向内核注销一个cdev结构

1.3  Linux 2.6内核分配和释放设备号

   在调用cdev_add()函数向系统注册字符设备之前，首先应向系统申请设备号，有二种方法申请设备号，一种是静态申请设备号：

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

另一种是动态申请设备号：

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

   其中，静态申请是已知起始设备号的情况，如先使用cat /proc/devices 命令查得哪个设备号未事先使用（不推荐使用静态申请）；动态申请是由系统自动分配，只需设置major = 0即可。

   相反地，在调用cdev_del()函数从系统中注销字符设备之后，应该向系统申请释放原先申请的设备号，使用：

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

1.4 cdev结构的file_operations结构体

   这个结构体是字符设备当中最重要的结构体之一，file_operations 结构体中的成员函数指针是字符设备驱动程序设计的主体内容，这些函数实际上在应用程序进行Linux 的 open()、read()、write()、close()、seek()、ioctl()等系统调用时最终被调用。在include/linux/fs.h文件中定义，这里不一一详解，仅仅解析一些常用的API。

struct file_operations {

/*拥有该结构的模块计数，一般为THIS_MODULE*/
struct module *owner;

/*用于修改文件当前的读写位置*/
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

/*从设备中同步读取数据*/
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);

/*向设备中写数据*/
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);

/*轮询函数，判断目前是否可以进行非阻塞的读取或写入*/
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);

/*执行设备的I/O命令*/
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);

long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

/*用于请求将设备内存映射到进程地址空间*/
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

/*打开设备文件*/
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);

/*关闭设备文件*/
int (*release) (struct inode *, struct file *);

int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, 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 **);
};

1.5 file结构

   file  结构代表一个打开的文件，它的特点是一个文件可以对应多个file结构。它由内核再open时创建，并传递给在该文件上操作的所有函数，直到最后close函数，在文件的所有实例都被关闭之后，内核才释放这个数据结构。

在内核源代码中，指向 struct file 的指针通常比称为filp，file结构有以下几个重要的成员：

struct file{

mode_t fmode; /*文件模式，如FMODE_READ，FMODE_WRITE*/

......

loff_t f_pos;  /*loff_t 是一个64位的数，需要时，须强制转换为32位*/

unsigned int f_flags;  /*文件标志，如：O_NONBLOCK*/

struct  file_operations  *f_op;

void  *private_data;  /*非常重要，用于存放转换后的设备描述结构指针*/

.......

};

1.6 inode 结构

   内核用inode 结构在内部表示文件，它是实实在在的表示物理硬件上的某一个文件，且一个文件仅有一个inode与之对应，同样它有二个比较重要的成员：

struct inode{

dev_t  i_rdev;          /*设备编号*/

struct cdev *i_cdev;  /*cdev 是表示字符设备的内核的内部结构*/

};

可以从inode中获取主次设备号，使用下面二个宏：

/*驱动工程师一般不关心这二个宏*/

unsigned int imajor(struct inode *inode);

unsigned int iminor(struct inode *inode);

2.1 Linux字符设备驱动的组成

1、字符设备驱动模块加载与卸载函数

   在字符设备驱动模块加载函数中应该实现设备号的申请和cdev 结构的注册，而在卸载函数中应该实现设备号的释放与cdev结构的注销。

   我们一般习惯将cdev内嵌到另外一个设备相关的结构体里面，该设备包含所涉及的cdev、私有数据及信号量等等信息。常见的设备结构体、模块加载函数、模块卸载函数形式如下：

/*设备结构体*/

struct  xxx_dev{

   struct cdev cdev;

   char *data;

   struct semaphore sem;

   ......

};

/*模块加载函数*/

static int __init  xxx_init(void)

{

   .......

   初始化cdev结构;

   申请设备号；

   注册设备号；

   申请分配设备结构体的内存；  /*非必须*/

}

/*模块卸载函数*/

static void  __exit xxx_exit(void)

{

   .......

   释放原先申请的设备号；

   释放原先申请的内存；

   注销cdev设备；

}

2、字符设备驱动的 file_operations 结构体重成员函数

/*读设备*/

ssize_t xxx_read(struct file *filp,  char __user *buf,  size_t  count,  loff_t *f_pos)

{

      ......

      使用filp->private_data获取设备结构体指针；

      分析和获取有效的长度；

      /*内核空间到用户空间的数据传递*/

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

      ......

}

/*写设备*/

ssize_t xxx_write(struct file *filp,  const char  __user *buf,  size_t  count,  loff_t *f_pos)

{

      ......

      使用filp->private_data获取设备结构体指针；

      分析和获取有效的长度；

      /*用户空间到内核空间的数据传递*/

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

      ......

}

/*ioctl函数*/

static int xxx_ioctl(struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg)

{

   ......

   switch(cmd){

         case  xxx_CMD1:

                     ......

                     break;

         case  xxx_CMD2:

                     .......

                  break;

         default:

                  return -ENOTTY;  /*不能支持的命令*/

   }

   return 0;

}

3、字符设备驱动文件操作结构体模板

struct file_operations xxx_fops = {

   .owner = THIS_MODULE,

   .open = xxx_open,

   .read = xxx_read,

   .write = xxx_write,

   .close = xxx_release,

   .ioctl = xxx_ioctl,

   .lseek = xxx_llseek,

};

上面的写法需要注意二点，一：结构体成员之间是以逗号分开的而不是分号，结构体字段结束时最后应加上分号。

结束语：

         字符驱动的原理分析大概就这么多，下一篇我们详解一个简单字符驱动程序。推荐二本Linux驱动的书给大家，《Linux设备驱动程序》魏永明译，另一本是《Linux设备驱动开发详解》宋宝华著，最后，祝大家学习愉快。

NingW · 发表于 2020-4-23 13:37

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