Linux裝置驅動之字元裝置驅動

一、linux系統將裝置分為3類：字元裝置、塊裝置、網路裝置。使用驅動程式：

• 字元裝置：是指只能一個位元組一個位元組讀寫的裝置，不能隨機讀取裝置記憶體中的某一資料，讀取資料需要按照先後資料。字元裝置是面向流的裝置，常見的字元裝置有滑鼠、鍵盤、串列埠、控制檯和LED裝置等。
• 塊裝置：是指可以從裝置的任意位置讀取一定長度資料的裝置。塊裝置包括硬碟、磁碟、U盤和SD卡等。

每一個字元裝置或塊裝置都在/dev目錄下對應一個裝置檔案。linux使用者程式通過裝置檔案（或稱裝置節點）來使用驅動程式操作字元裝置和塊裝置。

二、字元裝置、字元裝置驅動與使用者空間訪問該裝置的程式三者之間的關係。

如圖，在Linux核心中使用cdev結構體來描述字元裝置，通過其成員dev_t來定義裝置號（分為主、次裝置號）以確定字元裝置的唯一性。通過其成員file_operations來定義字元裝置驅動提供給VFS的介面函式，如常見的open()、read()、write()等。

在Linux字元裝置驅動中，模組載入函式通過register_chrdev_region( ) 或alloc_chrdev_region( )來靜態或者動態獲取裝置號，通過cdev_init( )建立cdev與file_operations之間的連線，通過cdev_add( )向系統新增一個cdev以完成註冊。模組解除安裝函式通過cdev_del( )來登出cdev，通過unregister_chrdev_region( )來釋放裝置號。

使用者空間訪問該裝置的程式通過Linux系統呼叫，如open( )、read( )、write( )，來“呼叫”file_operations來定義字元裝置驅動提供給VFS的介面函式。

三、字元裝置驅動模型

1. 驅動初始化

1.1. 分配cdev

在2.6的核心中使用cdev結構體來描述字元裝置，在驅動中分配cdev,主要是分配一個cdev結構體與申請裝置號，以按鍵驅動為例：

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

從上面的程式碼可以看出，申請裝置號有動靜之分，其實裝置號還有主次之分。

在Linux中以主裝置號用來標識與裝置檔案相連的驅動程式。次編號被驅動程式用來辨別操作的是哪個裝置。cdev 結構體的 dev_t 成員定義了裝置號，為 32 位，其中高 12 位為主裝置號，低20 位為次裝置號。

裝置號的獲得與生成：

獲得：主裝置號：MAJOR(dev_t dev);

次裝置號：MINOR(dev_t dev);

生成：MKDEV(int major,int minor);

裝置號申請的動靜之分：

靜態：

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 個裝置號(主裝置號不變，次裝置號增加）*/

靜態申請相對較簡單，但是一旦驅動被廣泛使用,這個隨機選定的主裝置號可能會導致裝置號衝突，而使驅動程式無法註冊。

動態：

1 int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name)；
2 /*功能：請求核心動態分配count個裝置號，且次裝置號從baseminor開始。*/

動態申請簡單，易於驅動推廣，但是無法在安裝驅動前建立裝置檔案（因為安裝前還沒有分配到主裝置號）。

1.2. 初始化cdev

1 void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *); 
2 cdev_init()函式用於初始化 cdev 的成員，並建立 cdev 和 file_operations 之間的連線。

1.3. 註冊cdev

1 int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
2 　　　　 cdev_add()函式向系統新增一個 cdev，完成字元裝置的註冊。

1.4. 硬體初始化

硬體初始化主要是硬體資源的申請與配置，以TQ210的按鍵驅動為例：

1 /* 1.4 硬體初始化*/
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.實現裝置操作

使用者空間的程式以訪問檔案的形式訪問字元裝置，通常進行open、read、write、close等系統呼叫。而這些系統呼叫的最終落實則是file_operations結構體中成員函式，它們是字元裝置驅動與核心的介面。以TQ210的按鍵驅動為例：

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

上面程式碼中的button_open、button_close、button_read是要在驅動中自己實現的。file_operations結構體成員函式有很多個，下面就選幾個常見的來展示：

2.1. open（）函式

原型：

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

2.2. read( )函式

原型：

ssize_t(*read)(struct file *, char __user*, size_t, loff_t*); 
/*用來從裝置中讀取資料，成功時函式返回讀取的位元組數，出錯時返回一個負值*/

2.3. write( )函式

原型：

1 ssize_t(*write)(struct file *, const char__user *, size_t, loff_t*);
2 /*向裝置傳送資料，成功時該函式返回寫入的位元組數。如果此函式未被實現，
3 當使用者進行write()系統呼叫時，將得到-EINVAL返回值*/

2.4. close( )函式

原型：

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

2.5. 補充說明

1. 在Linux字元裝置驅動程式設計中，有3種非常重要的資料結構：struct file、struct inode、struct file_operations。

struct file 代表一個開啟的檔案。系統中每個開啟的檔案在核心空間都有一個關聯的struct file。它由核心在開啟檔案時建立, 在檔案關閉後釋放。其成員loff_t f_pos 表示檔案讀寫位置。

struct inode 用來記錄檔案的物理上的資訊。因此,它和代表開啟檔案的file結構是不同的。一個檔案可以對應多個file結構,但只有一個inode結構。其成員dev_t i_rdev表示裝置號。

struct file_operations 一個函式指標的集合，定義能在裝置上進行的操作。結構中的成員指向驅動中的函式,這些函式實現一個特別的操作, 對於不支援的操作保留為NULL。

2. 在read( )和write( )中的buff 引數是使用者空間指標。因此,它不能被核心程式碼直接引用，因為使用者空間指標在核心空間時可能根本是無效的——沒有那個地址的對映。因此，核心提供了專門的函式用於訪問使用者空間的指標：

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. 驅動登出

3.1. 刪除cdev

在字元裝置驅動模組解除安裝函式中通過cdev_del()函式向系統刪除一個cdev，完成字元裝置的登出。

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

3.2. 釋放裝置號

在呼叫cdev_del()函式從系統登出字元裝置之後，unregister_chrdev_region()應該被呼叫以釋放原先申請的裝置號。

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

四、字元裝置驅動程式基礎:

4.1 cdev結構體

在Linux2.6 核心中，使用cdev結構體來描述一個字元裝置，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()這個函式裡面與cdev結構聯絡起來*/
 8 
 9 struct list_head list;
10 
11 dev_t dev; /*裝置號*/
12 
13 unsigned int count;
14 
15 }；

cdev 結構體的dev_t 成員定義了裝置號，為32位，其中12位是主裝置號，20位是次裝置號，我們只需使用二個簡單的巨集就可以從dev_t 中獲取主裝置號和次裝置號：

MAJOR(dev_t dev)

MINOR(dev_t dev)

相反地，可以通過主次裝置號來生成dev_t：

MKDEV(int major,int minor)

4.2 Linux 2.6核心提供一組函式用於操作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 *);

其中（1）用於初始化cdev結構體，並建立cdev與file_operations 之間的連線。（2）用於動態分配一個cdev結構，（3）向核心註冊一個cdev結構，（4）向核心登出一個cdev結構

4.3 Linux 2.6核心分配和釋放裝置號

在呼叫cdev_add()函式向系統註冊字元裝置之前，首先應向系統申請裝置號，有二種方法申請裝置號，一種是靜態申請裝置號：

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

另一種是動態申請裝置號：

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

其中，靜態申請是已知起始裝置號的情況，如先使用cat /proc/devices 命令查得哪個裝置號未事先使用（不推薦使用靜態申請）；動態申請是由系統自動分配，只需設定major = 0即可。

相反地，在呼叫cdev_del()函式從系統中登出字元裝置之後，應該向系統申請釋放原先申請的裝置號，使用：

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

4.4 cdev結構的file_operations結構體

這個結構體是字元裝置當中最重要的結構體之一，file_operations 結構體中的成員函式指標是字元裝置驅動程式設計的主體內容，這些函式實際上在應用程式進行Linux 的 open()、read()、write()、close()、seek()、ioctl()等系統呼叫時最終被呼叫。

1 struct file_operations {
 2 
 3 /*擁有該結構的模組計數，一般為THIS_MODULE*/
 4 struct module *owner;
 5 
 6 /*用於修改檔案當前的讀寫位置*/
 7 loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
 8 
 9 /*從裝置中同步讀取資料*/
10 ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
11 
12 /*向裝置中寫資料*/
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 /*輪詢函式，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 /*執行裝置的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 /*用於請求將裝置記憶體對映到程式地址空間*/
31 int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
32 
33 /*開啟裝置檔案*/
34 int (*open) (struct inode *, struct file *);
35 int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
36 
37 /*關閉裝置檔案*/
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 };

4.5 file結構

file 結構代表一個開啟的檔案，它的特點是一個檔案可以對應多個file結構。它由核心再open時建立，並傳遞給在該檔案上操作的所有函式，直到最後close函式，在檔案的所有例項都被關閉之後，核心才釋放這個資料結構。

在核心原始碼中，指向 struct file 的指標通常比稱為filp，file結構有以下幾個重要的成員：

1 struct file{
 2 
 3 mode_t fmode; /*檔案模式，如FMODE_READ，FMODE_WRITE*/
 4 
 5 ......
 6 
 7 loff_t f_pos; /*loff_t 是一個64位的數，需要時，須強制轉換為32位*/
 8 
 9 unsigned int f_flags; /*檔案標誌，如：O_NONBLOCK*/
10 
11 struct file_operations *f_op;
12 
13 void *private_data; /*非常重要，用於存放轉換後的裝置描述結構指標*/
14 
15 .......
16 
17 };

4.6 inode 結構

核心用inode 結構在內部表示檔案，它是實實在在的表示物理硬體上的某一個檔案，且一個檔案僅有一個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; /*裝置編號*/
 4 
 5 struct cdev *i_cdev; /*cdev 是表示字元裝置的核心的內部結構*/
 6 
 7 };
 8 
 9 可以從inode中獲取主次裝置號，使用下面二個巨集：
10 
11 /*驅動工程師一般不關心這二個巨集*/
12 
13 unsigned int imajor(struct inode *inode);
14 
15 unsigned int iminor(struct inode *inode);

4.7字元裝置驅動模組載入與解除安裝函式

在字元裝置驅動模組載入函式中應該實現裝置號的申請和cdev 結構的註冊，而在解除安裝函式中應該實現裝置號的釋放與cdev結構的登出。

我們一般習慣將cdev內嵌到另外一個裝置相關的結構體裡面，該裝置包含所涉及的cdev、私有資料及訊號量等等資訊。常見的裝置結構體、模組載入函式、模組解除安裝函式形式如下：

1/*裝置結構體*/
 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 /*模組載入函式*/
18 
19 static int __init xxx_init(void)
20 
21 {
22 
23 .......
24 
25 初始化cdev結構;
26 
27 申請裝置號；
28 
29 註冊裝置號；
30 
31 
32 
33 申請分配裝置結構體的記憶體； /*非必須*/
34 
35 }
36 
37 
38 
39 /*模組解除安裝函式*/
40 
41 static void __exit xxx_exit(void)
42 
43 {
44 
45 .......
46 
47 釋放原先申請的裝置號；
48 
49 釋放原先申請的記憶體；
50 
51 登出cdev裝置；
52 
53 }
54 
55

4.8字元裝置驅動的 file_operations 結構體重成員函式

1 /*讀裝置*/
 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獲取裝置結構體指標；
10 
11 分析和獲取有效的長度；
12 
13 /*核心空間到使用者空間的資料傳遞*/
14 
15 copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long count);
16 
17 ......
18 
19 }
20 
21 /*寫裝置*/
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獲取裝置結構體指標；
30 
31 分析和獲取有效的長度；
32 
33 /*使用者空間到核心空間的資料傳遞*/
34 
35 copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count);
36 
37 ......
38 
39 }
40 
41 /*ioctl函式*/
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; /*不能支援的命令*/
66 
67 }
68 
69 return 0;
70 
71 }

4.9、字元裝置驅動檔案操作結構體模板

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，結構體欄位結束時最後應加上分號。

五、字元裝置驅動小結：

字元裝置是3大類裝置（字元裝置、塊裝置、網路裝置）中較簡單的一類裝置，其驅動程式中完成的主要工作是初始化、新增和刪除cdev結構體，申請和釋放裝置號，以及填充file_operation結構體中操作函式，並實現file_operations結構體中的read()、write()、ioctl()等重要函式。如圖所示為cdev結構體、file_operations和使用者空間呼叫驅動的關係。