Linux字符設(she)備驅動模型之字符設(she)備初始化
時間：2018-09-29 來源：未知(zhi)
因為Linux字符(fu)設備驅動主(zhu)要(yao)依賴于struct cdev結構(gou)，原型為：
所(suo)(suo)以我(wo)們需要對所(suo)(suo)使用到的結構成(cheng)員進(jin)行配置，驅動開發(fa)所(suo)(suo)使用到的結構成(cheng)員分別為：【unsigned int count;】、【dev_t dev;】、【const struct file_operations *ops;】。
開發流程如下(xia)圖：
一(yi)、字符設備驅動初始(shi)化
1、分配設備cdev
Cdev變(bian)量的定(ding)義可以采用靜態和(he)動態兩種方法進行分配(pei)(pei)。靜態方法直接分配(pei)(pei)內(nei)存，而動態方法隨機分配(pei)(pei)內(nei)存。
靜態分配(pei)cdev：
定義：struct cdev mdev;
mdev即代(dai)表(biao)相應(ying)的字符設備空間地址。
動態(tai)分配cdev：
定(ding)義：struct cdev *pdev = cdev_alloc();
pdev即代表(biao)對于(yu)的字符設(she)備的空間(jian)地址。
2、初始(shi)化設備cdev
Linux內核中(zhong)，字符設(she)備struct cdev的(de)初始化(hua)使用(yong)cdev_init。其原(yuan)型如下：
參數：
cdev：待初始化(hua)的struct cdev結構(gou)
fops：設備對應的(de)操作(zuo)函數集
由原型所要求的(de)參數可知，需要初始(shi)化一(yi)個字符設(she)(she)備(bei)(bei)(bei)(bei)，必須根(gen)據申(shen)請一(yi)個struct cdev結構的(de)空(kong)間，然后對其成(cheng)員(yuan)進行配置。即實現設(she)(she)備(bei)(bei)(bei)(bei)的(de)操作函數集、為設(she)(she)備(bei)(bei)(bei)(bei)申(shen)請設(she)(she)備(bei)(bei)(bei)(bei)號(hao)（包括主設(she)(she)備(bei)(bei)(bei)(bei)號(hao)和次設(she)(she)備(bei)(bei)(bei)(bei)號(hao)）、指定此類(lei)型的(de)字符設(she)(she)備(bei)(bei)(bei)(bei)有多少個相(xiang)同設(she)(she)備(bei)(bei)(bei)(bei)。
3、注冊(ce)設備(bei)cdev
Linux內核中字符設(she)備的注冊(ce)使用cdev_add函數來進行完成注冊(ce)。其原型如下：
其(qi)相關參數定義(yi)為：
p：待添加到內核中的字符設備結構，即為(wei)struct cdev。
dev：設備號
count：該類設備(bei)的設備(bei)數量，各(ge)個設備(bei)的區別體(ti)現為從設備(bei)號。
在開發驅動時，當確定了字(zi)符(fu)設(she)(she)備(bei)的結構(gou)，主(zhu)設(she)(she)備(bei)號(hao)和從設(she)(she)備(bei)號(hao)、設(she)(she)備(bei)的數量，就可以使用cdev_add函數將相(xiang)應的字(zi)符(fu)設(she)(she)備(bei)添加到Linux內核驅動中進(jin)行注冊(ce)。
4、硬件初始化(hua)
關于硬(ying)件的初(chu)始(shi)化就簡(jian)單了。直接根(gen)(gen)據(ju)所需要(yao)操作(zuo)的字(zi)符設備，閱(yue)讀器(qi)Datasheet，然后根(gen)(gen)據(ju)Datasheet進行硬(ying)件的配置即可。
二(er)、設備操作和(he)驅(qu)動操作映射
從上圖基本可知(zhi)，在用戶空(kong)間的每一種硬件設備操(cao)(cao)作函數，在內核空(kong)間通(tong)用有一個(ge)映射操(cao)(cao)作函數實現。
•int (*open) (struct inode *, struct file *)：打開設備，響應open系統
•int (*release) (struct inode *, struct file *)：關閉設備(bei)，響應(ying)close系統調用
•loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int)：重定位(wei)讀寫指(zhi)針，響應lseek系統調用
•ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)：從設(she)備讀(du)取數(shu)據，響應read系(xi)統(tong)調用
•ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)：向(xiang)設(she)備寫入數據，響應write系統調用
從以上函數(shu)指針操作方法中可以提取(qu)出兩(liang)個重要的參數(shu)成員，即(ji)為struct file和struct inode。
【struct file】：在(zai)(zai)Linux系統中，每一個打開的(de)(de)文(wen)(wen)件(jian)，在(zai)(zai)內核中都(dou)會對應的(de)(de)關聯一個struct file結(jie)構體，它由內核在(zai)(zai)打開文(wen)(wen)件(jian)時創建，在(zai)(zai)文(wen)(wen)件(jian)關閉后(hou)釋放(fang)。
其非常重要的成員(yuan)有：
loff_t f_pos /*文件(jian)讀寫指針*/
struct file_operations *f_op /*該文件所對(dui)應的操(cao)作(zuo)*/
【struct inode】：每一(yi)個(ge)存在于文(wen)件(jian)系統(tong)里面的(de)文(wen)件(jian)都會(hui)關(guan)聯一(yi)個(ge)inode 結(jie)構(gou)(gou)，該結(jie)構(gou)(gou)主要用來記錄文(wen)件(jian)物理上(shang)的(de)信息。因此, 它和(he)代(dai)表打(da)開文(wen)件(jian)的(de)file結(jie)構(gou)(gou)是(shi)不(bu)同(tong)的(de)。一(yi)個(ge)文(wen)件(jian)沒(mei)有被(bei)打(da)開時不(bu)會(hui)關(guan)聯file結(jie)構(gou)(gou)，但是(shi)卻(que)會(hui)關(guan)聯一(yi)個(ge)inode 結(jie)構(gou)(gou)。
在struct inode結(jie)構中(zhong)，dev_t i_rdev尤(you)其重要，表示設備號。
三、struct file_operations結構(gou)常用設備(bei)操作解析(xi)
1.open設備操作
根據原型可知，open設(she)備函(han)(han)數(shu)方法是在進(jin)行開始(shi)啟用操作(zuo)設(she)備時的初始(shi)化工作(zuo)，與用戶空間的open函(han)(han)數(shu)對應，通常情況下，open函(han)(han)數(shu)實現：
（1）表明(ming)次設備(bei)號
（2）啟用(yong)設備
當然，如果在(zai)啟用(yong)設備時，不需要任何(he)的準備操(cao)作或者初始(shi)化操(cao)作，那么(me)open函(han)數(shu)可以為空函(han)數(shu)，不實現。
2.release設備操作
release函(han)數(shu)方法(fa)的作(zuo)用正好和open函(han)數(shu)方法(fa)的作(zuo)用相反，它在(zai)(zai)設(she)(she)備(bei)關(guan)閉時(shi)用到，與用戶(hu)空(kong)間(jian)的close對應。通(tong)常用來(lai)進行關(guan)閉設(she)(she)備(bei)的實(shi)現。如果(guo)所操(cao)作(zuo)的設(she)(she)備(bei)在(zai)(zai)關(guan)閉時(shi)不需要其他(ta)操(cao)作(zuo)，那么(me)使其為(wei)空(kong)函(han)數(shu)即可。
3.read設備操(cao)作
read方法主要(yao)完成兩件(jian)事：
（1）訪問硬件操作，從(cong)設備中讀取數(shu)據。
（2）將(jiang)從設備端讀取到(dao)的數據返(fan)回給用(yong)戶空間的應用(yong)程(cheng)序read函數。
其read方法的(de)具體原(yuan)型可分析(xi)如下：
ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)
參數分析：
filp：與字符設備文件關聯(lian)的file結構指針, 由內核創建(jian)。
buff : 從設(she)備(bei)讀取到(dao)的數據(ju)，需(xu)要保存到(dao)的位(wei)置。由read系統調用提供該參數。
count: 請求傳輸的數據量，由read系統調(diao)用提供(gong)該參(can)數。
offp: 文件的讀(du)寫位置，由內(nei)核從file結(jie)構(gou)中取出后(hou)，傳(chuan)遞進來。
那么(me)實際上在這里就存(cun)在了一個問題，從內核空間(jian)(jian)如何將數據返回給用戶空間(jian)(jian)？？？
在Linux內(nei)核(he)中，為從(cong)內(nei)核(he)空(kong)(kong)間將(jiang)數據返回到用(yong)戶空(kong)(kong)間提供了函數方法(fa)，即為：copy_to_user。其原型如下：
之所以(yi)采用(yong)(yong)copy_to_user函數(shu)的(de)原因(yin)是(shi)，buff參數(shu)來(lai)源于用(yong)(yong)戶空(kong)間的(de)指針(zhen)，這(zhe)類指針(zhen)在內核(he)(he)空(kong)間中不(bu)能(neng)直(zhi)接被內核(he)(he)代碼直(zhi)接引用(yong)(yong)，所以(yi)必須采用(yong)(yong)拷貝的(de)方式進行數(shu)據的(de)傳遞。具體的(de)操作過程如下圖(tu)表示：
4.write設備操作
write函數方法也主(zhu)要完成兩(liang)件事：
（1）從應用程序(xu)提供的(de)地址中取(qu)出數據到內核空間。
（2）訪問硬件設備(bei)，將數據(ju)寫入到設備(bei)中(zhong)。
write函(han)(han)數方(fang)法直(zhi)接對應于用戶空間的write函(han)(han)數。
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)
write函數(shu)(shu)方法(fa)的參數(shu)(shu)基本上和(he)read函數(shu)(shu)方法(fa)類似，在(zai)此不(bu)再(zai)做解(jie)釋。
那么實際上在此(ci)也存(cun)在一(yi)個(ge)問題，如何將數據從用戶空(kong)間取出到內核空(kong)間使用？？？
實(shi)際(ji)上Linux內(nei)核中也提(ti)供了相應的方(fang)法(fa)函(han)數，將(jiang)用戶空(kong)間的數據拷貝(bei)到內(nei)核空(kong)間進行使用，其(qi)方(fang)法(fa)為：copy_from_user。原型如下：
四、設(she)備驅動(dong)注銷
當(dang)內核中不再(zai)需(xu)要使用一個字(zi)(zi)符設備時，我(wo)們可以在內核中將相(xiang)應的(de)設備驅動(dong)程序進(jin)(jin)行卸(xie)載。那(nei)么(me)就需(xu)要對其字(zi)(zi)符設備進(jin)(jin)行注銷(xiao)。Linux內核中為我(wo)們提供了cdev_del函(han)數來完成字(zi)(zi)符設備的(de)注銷(xiao)。其原型如下：
