笔记：Linux Device Driver 3 第三章 字符设备SCULL
笔记原创:
山涛
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说明：本文档供学习交流使用，我是学习者，文档属于自己的体会，看本文档一分为二。希望大家共同交流，共同进步！
一，
SCULL：Simple Character Utility for Loading
Localities
SCULL驱动模块操作PC上的一块内存，它是一个char设备。
二，
SCULL的主设备号和次设备号：
主设备号标志着一个与设备相关的驱动；现代Linux内核允许多个驱动共享一个主设备号，但是绝大多数的设备仍然遵循着“一个驱动对应一个主设备号”的原则。
次设备号被内核使用，用于区分具体的逻辑设备。
（个人理解，对一个设备而言，由于设备有不同的功能和配置，按功能和配置划分的话，一个设备相当于若干个子设备的集合；驱动实现了所有这些子设备的功能，但是当内核被告知使用其中的某一个子设备时，就需要使用次设备号来区分）
设备号，类型是：dev_t，它由“主设备号＋次设备号”组成（dev_t类型32位，12位用于主设备号，20位用于次设备号）。
分配一个设备号：
静态分配设备号函数原型：
int
register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name)；
动态分配设备号函数原型：
int
alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count,
char *name)；
释放设备号函数原型：
void
unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);
建议使用动态分配设备函数；使用该函数的缺点是不能预先建立设备节点（在/dev下），因为你不知道动态分配的号到底是多少。不过，这个缺点很容易解决，即当驱动加载成功后，你通过读取/proc/devices得知该驱动所分配到的设备号。
三，
一些重要的结构(这些结构均只能在内核中使用)
file_operations：表示文件操作结构。
file：表示一个打开的文件。
inode：表示一个文件。
file与inode的区别在于：一个文件可以被打开多次，就会有多个file结构；而一个文件只对应一个inode结构。
四，
内核使用struct
cdev来表示内部的字符设备。在一般的字符设备程序中，cdev结构被嵌入到特定的设备结构中，成为其中的一个域。Cdev结构的初始化使用下面的函数原型：
void
cdev_init (struct cdev *cdev, struct file_operations *fops);
当cdev域被初始化后，最后的一步就是将它的信息告知内核（这就是所谓的注册），调用如下的函数原型：
int
cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count);
在调用cdev_add()之前，要确保驱动的初始化完成，对设备的操作已经完全准备好。
从内核释放字符设备的函数原型如下：
void
cdev_del(struct cdev *dev);
五，
open方法的功能：
(1)检查设备相关的错误；
（2）第一次打开设备时，初始化设备；
（3）如果需要，更新f_op指针；
（4）分配和填充设备使用的数据结构，将它存入filp->privat_data域中。
Open方法的函数原型：
int (*open)
(struct inode *inode, struct file *filp);
release方法的功能：
（1）释放任何在filp->private_data中所分配的数据结果；
（2）关闭设备。
Release方法的函数原型：
int
(*release)(struct inode *inode, struct file *filp);
六，
SCULL的内存使用
SCULL以一片系统内存作为一个字符设备，对其进行操作。SCULL的内存使用是很有趣的。
代表SCULL设备的数据结构是scull_dev。scull_dev通过一个链表来管理内存，链表的具体结构为scull_qset，每个scull_qset指向一块内存区域：这块内存区域被分成1000份，每份4000个字节。所以，每份称为quantum，份数成为quantum set，其实份数就是指针了。 SCULL设备的规划如下图：
这个内存使用模型是以scull_qset结构为单位的，当你向SCULL中写入一个byte的数据时，SCULL需要分配给你一个scull_qet结构，这至少需要1000个指针（占用4000字节或8000字节，这取决于平台是32位还是64位）和一个quantum（4000字节）。所以写一个字节对于这样一个内存使用模型的开销是很大的。SCULL内存使用模型并没有限制最大使用内存的数目，你可以用完你的机器上所有的实际内存。SCULL只限制了一个scull_qset可以容纳4000x1000大小的内存。
七，
读方法函数原型：
ssize_t
read(struct file* filp, char __user *buff, size_t count, loff_t
*offp);
写方法函数原型：
ssize_t
write(struct file* filp, const char __user *buff, size_t count, loff_t
*offp);
内核读/写方法需要与用户进行数据交换的函数，原因是上面的原型中的buff参数是用户空间的地址，内核空间不能直接访问用户空间的数据变量。因此，内核和用户空间交换数据时，需要两个辅助函数，原型如下：
unsigned long
copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long count);
unsigned long
copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsinged long
count);
这两个函数会首先检查用户空间指针是否有效。
读方法实现的功能
读方法是系统调用sys_read()的具体实现。读方法的返回值由调用read系统调用的应用程序来进行解释。
（1）如果返回值与count参数的值相同，则说明被要求传输的数据完全接收完毕。这是最理想的情况；
（2）如果返回值是正值，但是小于count值，说明仅有一部分数据被传输。这种情况的发生有多种原因，依赖于具体的设备。通常情况下，应用程序会尝试重新读取。
（3）如果返回值为0，表示到了文件尾（即无数据可读）。
（4）如果返回值是负值，表示发生了错误。
（5）还有一种情况，read系统调用可以阻塞，这意味着“现在没有数据，但是等会就来”。
写方法实现的功能：
写方法，是系统调用sys_write()的具体实现。写方法的返回值同样由调用write系统调用的应用程序来解释。
（1）如果返回值与count值相等，表明按要求传输的数据发送完毕。
（2）如果返回值为正值，但小于count值，表明一部分数据发送成功。应用程序通常会尝试重新发送剩余的数据。
（3）如果返回值为0，表明没有发送数据，这不是个错误。再一次，标准数据库会重新调用write系统调用。
（4）如果返回值为负值，表明发送数据出错。
