字符设备驱动模型

一、使用字符驱动程序
1. 编译/安装驱动
在Linux系统中，驱动程序通常采用内核模块的程序结构来进行编码。因此，编译/安装一个驱动程序，其实质就是编译/安装一个内核模块。

2. 使用字符设备文件
通过字符设备文件，应用程序可以使用想用的字符设备驱动程序来控制字符设备。创建字符设备文件的方法一般有两种：
1.使用mknod命令
mknod /dev/文件名 c 主设备号 次设备号

2. 使用函数在驱动程序中创建
编写简单应用程序使用memdev，write_mem.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
    int fd = 0;
    int src = 2013;
    fd = open("/dev/memdev0", O_RDWR);

    write(fd, &src, sizeof(int));

    close(fd);
}

read_mem.c

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main()
{
    int fd = 0;
    int dst = 0;
    fd = open("/dev/memdev0", O_RDWR);

    read(fd, &dst, sizeof(int));

    printf("dst is %d\n",dst);

    return 0;
}

二、字符设备驱动模型
1. 驱动模型
在Linux系统中,设备的类型非常繁多，如：字符设备，块设备，网络接口设备，USB设备，PCI设备，平台设备，混杂设备……，而设备类型不同，也意味着其对应的驱动程序模型不同，这样就导致了我们需要去掌握众多的驱动程序模型。那么能不能从这些众多的驱动模型中提炼出一些具有共性的规则，则是我们能不能学好Linux驱动的关键。

1 设备描述结构;
在任何一种驱动模型中，设备都会用内核中的一种结构来描述。我们的字符设备在内核中使用struct cdev来描述。

struct cdev {

    struct kobject kobj;

    struct module *owner;

    const struct file_operations *ops; //设备操作集

    struct list_head list;

    dev_t dev; //设备号

    unsigned int count; //设备数

};

1.1 主设备号
查看/dev目录下设备号

ls /dev

字符设备文件与字符驱动程序通过主设备号建立联系

1.2 次设备号
驱动程序用次设备号来区分串口1和串口2

1.3 设备号-操作
Linux内核中使用dev_t类型来定义设备号，dev_t这种类型其实质为32位的unsigned int，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号.

问1：如果知道主设备号，次设备号，怎么组合成dev_t类型

答：dev_t dev = MKDEV(主设备号，次设备号)

问2: 如何从dev_t中分解出主设备号?

答: 主设备号 = MAJOR(dev_t dev)

问3: 如何从dev_t中分解出次设备号？

答: 次设备号=MINOR(dev_t dev)

1.4 设备号-分配
 静态申请

开发者自己选择一个数字作为主设备号，然后通过函数register_chrdev_region向内核申请使用。
缺点：如果申请使用的设备号已经被内核中的其他驱动使用了，则申请失败。

 动态分配

使用alloc_chrdev_region由内核分配一个可用的主设备号。
优点：因为内核知道哪些号已经被使用了，所以不会导致分配到已经被使用的号

函数原型：int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);
dev:分配的设备号地址
baseminor：需要的次设备号起始序列
count:需要的此设备号个数
name:设备号的别名

1.5 设备号-注销
不论使用何种方法分配设备号，都应该在驱动退出时，使用unregister_chrdev_region 函数释放这些设备号。
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
from:设备号
count:个数

1.6 操作函数集
Struct file_operations是一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作。结构中的函数指针指向驱动中的函数,这些函数实现一个针对设备的操作, 对于不支持的操作则设置函数指针为 NULL。例如：

struct file_operations dev_fops = {

    .llseek = NULL,

    .read = dev_read,

    .write = dev_write,

    .ioctl = dev_ioctl,

    .open = dev_open,

    .release = dev_release,

};

2.字符设备初始化

2.1 描述结构-分配

cdev变量的定义可以采用静态和动态两种办法

 静态分配

struct cdev mdev;

 动态分配

struct cdev *pdev = cdev_alloc();

2.2 描述结构-初始化
struct cdev的初始化使用cdev_init函数来完成。

cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)

参数：

cdev: 待初始化的cdev结构

fops: 设备对应的操作函数集

2.3 描述结构-注册
字符设备的注册使用cdev_add函数来完成。

cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

参数：

p: 待添加到内核的字符设备结构

dev: 设备号

count: 该类设备的设备个数

2.4 硬件初始化
根据相应硬件的芯片手册，完成初始化。

2.5 设备操作原型
int (*open) (struct inode *, struct file *);

打开设备，响应open系统

int (*release) (struct inode *, struct file *);

关闭设备，响应close系统调用

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

重定位读写指针，响应lseek系统调用

ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)

从设备读取数据，响应read系统调用

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)

向设备写入数据，响应write系统调用

这些操作什么时候调用：应用程序调用相应的函数
如何实现这些设备函数呢：
2.6 Struct file
在Linux系统中，每一个打开的文件，在内核中都会关联一个struct file，它由内核在打开文件时创建, 在文件关闭后释放。
 重要成员：

loff_t f_pos /*文件读写指针*/

struct file_operations *f_op /*该文件所对应的操作*/

2.7 Struct inode

每一个存在于文件系统里面的文件都会关联一个inode 结构，该结构主要用来记录文件物理上的信息。因此, 它和代表打开文件的file结构是不同的。一个文件没有被打开时不会关联file结构，

但是却会关联一个inode 结构。

 重要成员：

dev_t i_rdev：设备号

三、实现设备操作
3.1 设备操作-open

open设备方法是驱动程序用来为以后的操作

完成初始化准备工作的。在大部分驱动程序

中，open完成如下工作：

 标明次设备号

 启动设备

3.3 设备操作-release

release方法的作用正好与open相反。这个设备方法有时也称为close，它应该：

 关闭设备。

3.4 设备操作-read

read设备方法通常完成2件事情：

 从设备中读取数据(属于硬件访问类操作)

 将读取到的数据返回给应用程序
ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)

参数分析：

filp：与字符设备文件关联的file结构指针, 由内核创建。

buff : 从设备读取到的数据，需要保存到的位置。由read系统调用提供该参数。

count: 请求传输的数据量，由read系统调用提供该参数。

offp: 文件的读写位置，由内核从file结构中取出后，传递进来。

buff参数是来源于用户空间的指针，这类指针都不能被内核代码直接引用，必须使用专门的函数

  int copy_from_user(void *to, const void __user *from, int n);

  int copy_to_user(void __user *to, const void *from, int n);

3.5 设备操作-write
write设备方法通常完成2件事情：

 从应用程序提供的地址中取出数据

 将数据写入设备(属于硬件访问类操作)

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)其参数类似于read

3.6 驱动注销
当我们从内核中卸载驱动程序的时候，需要使用cdev_del函数来完成字符设备的注销。

四、字符设备控制技术
4.1 设备控制理论--作用
大部分驱动程序除了需要提供读写设备的能力外,还需要具备控制设备的能力。比如: 改变波特率。

4.2 设备控制-应用函数

在用户空间，使用ioctl系统调用来控制设备，原型如下:

int ioctl(int fd,unsigned long cmd,...)

fd: 要控制的设备文件描述符

cmd: 发送给设备的控制命令

…: 第3个参数是可选的参数，存在与否是依赖于控制命令(第 2 个参数 )。

4.3 设备控制-驱动函数
当应用程序使用ioctl系统调用时，驱动程序将由如下函数来响应：

1: 2.6.36 之前的内核

long (*ioctl) (struct inode* node ,struct file* filp, unsigned int cmd,unsigned long arg);

2：2.6.36之后的内核

long (*unlocked_ioctl) (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);

参数cmd: 通过应用函数ioctl传递下来的命令

4.4 控制实现-定义命令
命令从其实质而言就是一个整数, 但为了让这个整数具备更好的可读性，我们通常会把这个整数分为几个段：类型（8位），序号，参数传送方向，参数长度。

  Type(类型/幻数): 表明这是属于哪个设备的命令。

  Number(序号 ),用来区分同一设备的不同命令。

  Direction：参数传送的方向，可能的值是 _IOC_NONE(没有数据传输), _IOC_READ, _IOC_WRITE（向设备写入参数）。

  Size： 参数长度。

4.5 设备控制-定义命令
Linux系统提供了下面的宏来帮助定义命令:

  _IO(type,nr)：不带参数的命令

  _IOR(type,nr,datatype)：从设备中读参数的命令

  _IOW(type,nr,datatype)：向设备写入参数的命令

例：

#define MEM_MAGIC ‘m’ //定义幻数

#define MEM_SET _IOW(MEM_MAGIC, 0, int)

4.6 设备控制-实现操作
unlocked_ioctl函数的实现通常是根据命令执行的一个switch语句。但是，当命令号不能匹配任何一个设备所支持的命令时，返回-EINVAL.

编程模型：

Switch cmd

Case 命令A：

//执行A对应的操作

Case 命令B：

//执行B对应的操作

Default:

// return -EINVAL