linux字元裝置驅動開發總結

1、主裝置号和次裝置号（二者一起為裝置号）

　　一個字元裝置或塊裝置都有一個主裝置号和一個次裝置号。主裝置号用來辨別與裝置檔案相連的驅動程式，用來反映裝置類型。次裝置号被驅動程式用來辨識操作的是哪個裝置，用來區分同類型的裝置。

linux核心中，裝置号用dev_t來描述，2.6.28中定義如下：

typedef u_long dev_t;

在32位機中是4個位元組，高12位表示主裝置号，低12位表示次裝置号。

可以使用下列宏從dev_t中獲得主次裝置号：　　　　　　　　　　　　　　　　　　

MAJOR(dev_t dev);　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

MINOR(dev_t dev);

也可以使用下列宏通過主次裝置号生成dev_t: MKDEV(int major,int minor);

#define MINORBITS        20
#define MINORMASK        ((1U << MINORBITS) - 1)
#define MAJOR(dev)       ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev)       ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi)     (((ma) << MINORBITS) | (mi))

2、配置設定裝置号（兩種方法）

（1）靜态申請：

/**
 * register_chrdev_region() - register a range of device numbers
 * @from: the first in the desired range of device numbers; must include
 *        the major number.
 * @count: the number of consecutive device numbers required
 * @name: the name of the device or driver.
 *
 * Return value is zero on success, a negative error code on failure.
 */
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);

（2）動态配置設定：

/**
 * alloc_chrdev_region() - register a range of char device numbers
 * @dev: output parameter for first assigned number
 * @baseminor: first of the requested range of minor numbers
 * @count: the number of minor numbers required
 * @name: the name of the associated device or driver
 *
 * Allocates a range of char device numbers.  The major number will be
 * chosen dynamically, and returned (along with the first minor number)
 * in @dev.  Returns zero or a negative error code.
 */
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, 
    unsigned count, const char *name);

3、登出裝置号

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);

4、裝置注冊與登出

在linux2.6核心中，字元裝置使用struct cdev來描述；

struct cdev
{
  struct kobject kobj;//内嵌的kobject對象
  struct module *owner;//所屬子產品
  struct file_operations *ops;//檔案操作結構體
  struct list_head list;
  dev_t dev;//裝置号,長度為32位，其中高12為主裝置号，低20位為此裝置号
  unsigned int count;
};


//配置設定cdev
struct cdev *cdev_alloc(void);

//初始化cdev
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops);

//添加cdev
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);

//登出cdev
void cdev_del(struct cdev *p);

file_operations

struct file_operations ***_ops={
 .owner =  THIS_MODULE,
 .llseek =  ***_llseek,
 .read =  ***_read,
 .write =  ***_write,
 .ioctl =  ***_ioctl,
 .open =  ***_open,
 .release = ***_release, 
 。。。  。。。
};

struct module *owner;
 /*第一個 file_operations 成員根本不是一個操作; 它是一個指向擁有這個結構的子產品的指針.
 這個成員用來在它的操作還在被使用時阻止子產品被解除安裝. 幾乎所有時間中, 它被簡單初始化為 
THIS_MODULE, 一個在 <linux/module.h> 中定義的宏.這個宏比較複雜，在進行簡單學習操作的時候，一般初始化為THIS_MODULE。*/


loff_t (*llseek) (struct file * filp , loff_t  p,  int  orig);
/*(指針參數filp為進行讀取資訊的目标檔案結構體指針；參數 p 為檔案定位的目标偏移量；參數orig為對檔案定位
的起始位址，這個值可以為檔案開頭（SEEK_SET，0,目前位置(SEEK_CUR,1)，檔案末尾(SEEK_END,2)）
llseek 方法用作改變檔案中的目前讀/寫位置, 并且新位置作為(正的)傳回值.
loff_t 參數是一個"long offset", 并且就算在 32位平台上也至少 64 位寬. 錯誤由一個負傳回值訓示.
如果這個函數指針是 NULL, seek 調用會以潛在地無法預知的方式修改 file 結構中的位置計數器( 在"file 結構" 一節中描述).*/

ssize_t (*read) (struct file * filp, char __user * buffer, size_t    size , loff_t *  p);
/*(指針參數 filp 為進行讀取資訊的目标檔案，指針參數buffer 為對應放置資訊的緩沖區（即使用者空間記憶體位址），
參數size為要讀取的資訊長度，參數 p 為讀的位置相對于檔案開頭的偏移，在讀取資訊後，這個指針一般都會移動，移動的值為要讀取資訊的長度值）
這個函數用來從裝置中擷取資料. 在這個位置的一個空指針導緻 read 系統調用以 -EINVAL("Invalid argument") 失敗.
 一個非負傳回值代表了成功讀取的位元組數( 傳回值是一個 "signed size" 類型, 常常是目标平台本地的整數類型).*/

ssize_t (*aio_read)(struct kiocb *  , char __user *  buffer, size_t  size ,  loff_t   p);
/*可以看出，這個函數的第一、三個參數和本結構體中的read()函數的第一、三個參數是不同 的，
異步讀寫的第三個參數直接傳遞值，而同步讀寫的第三個參數傳遞的是指針，因為AIO從來不需要改變檔案的位置。
異步讀寫的第一個參數為指向kiocb結構體的指針，而同步讀寫的第一參數為指向file結構體的指針，每一個I/O請求都對應一個kiocb結構體);
初始化一個異步讀 -- 可能在函數傳回前不結束的讀操作.如果這個方法是 NULL, 所有的操作會由 read 代替進行(同步地).
(有關linux異步I/O，可以參考有關的資料，《linux裝置驅動開發詳解》中給出了詳細的解答)*/

ssize_t (*write) (struct file *  filp, const char __user *   buffer, size_t  count, loff_t * ppos);
/*(參數filp為目标檔案結構體指針，buffer為要寫入檔案的資訊緩沖區，count為要寫入資訊的長度，
ppos為目前的偏移位置，這個值通常是用來判斷寫檔案是否越界）
發送資料給裝置. 如果 NULL, -EINVAL 傳回給調用 write 系統調用的程式. 如果非負, 傳回值代表成功寫的位元組數.
(注：這個操作和上面的對檔案進行讀的操作均為阻塞操作）*/

ssize_t (*aio_write)(struct kiocb *, const char __user *  buffer, size_t  count, loff_t * ppos);
/*初始化裝置上的一個異步寫.參數類型同aio_read()函數;*/

int (*readdir) (struct file *  filp, void *, filldir_t);
/*對于裝置檔案這個成員應當為 NULL; 它用來讀取目錄, 并且僅對檔案系統有用.*/

unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
/*(這是一個裝置驅動中的輪詢函數，第一個參數為file結構指針，第二個為輪詢表指針）
這個函數傳回裝置資源的可擷取狀态，即POLLIN，POLLOUT，POLLPRI，POLLERR，POLLNVAL等宏的位“或”結果。
每個宏都表明裝置的一種狀态，如：POLLIN（定義為0x0001）意味着裝置可以無阻塞的讀，POLLOUT（定義為0x0004）意味着裝置可以無阻塞的寫。
(poll 方法是 3 個系統調用的後端: poll, epoll, 和 select, 都用作查詢對一個或多個檔案描述符的讀或寫是否會阻塞.
 poll 方法應當傳回一個位掩碼訓示是否非阻塞的讀或寫是可能的, 并且, 可能地, 提供給核心資訊用來使調用程序睡眠直到 I/O 變為可能. 
如果一個驅動的 poll 方法為 NULL, 裝置假定為不阻塞地可讀可寫.
(這裡通常将裝置看作一個檔案進行相關的操作，而輪詢操作的取值直接關系到裝置的響應情況，可以是阻塞操作結果，同時也可以是非阻塞操作結果）*/

int (*ioctl) (struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
/*(inode 和 filp 指針是對應應用程式傳遞的檔案描述符 fd 的值, 和傳遞給 open 方法的相同參數.
cmd 參數從使用者那裡不改變地傳下來, 并且可選的參數 arg 參數以一個 unsigned long 的形式傳遞, 不管它是否由使用者給定為一個整數或一個指針.
如果調用程式不傳遞第 3 個參數, 被驅動操作收到的 arg 值是無定義的.
因為類型檢查在這個額外參數上被關閉, 編譯器不能警告你如果一個無效的參數被傳遞給 ioctl, 并且任何關聯的錯誤将難以查找.）
ioctl 系統調用提供了發出裝置特定指令的方法(例如格式化軟碟的一個磁道, 這不是讀也不是寫). 另外, 幾個 ioctl 指令被核心識别而不必引用 fops 表.
 如果裝置不提供 ioctl 方法, 對于任何未事先定義的請求(-ENOTTY, "裝置無這樣的 ioctl"), 系統調用傳回一個錯誤.*/

int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
/*mmap 用來請求将裝置記憶體映射到程序的位址空間. 如果這個方法是 NULL, mmap 系統調用傳回 -ENODEV.
(如果想對這個函數有個徹底的了解，那麼請看有關“程序位址空間”介紹的書籍)*/

int (*open) (struct inode * inode , struct file *  filp ) ;
/*(inode 為檔案節點,這個節點隻有一個，無論使用者打開多少個檔案，都隻是對應着一個inode結構；
但是filp就不同，隻要打開一個檔案，就對應着一個file結構體，file結構體通常用來追蹤檔案在運作時的狀态資訊）
 盡管這常常是對裝置檔案進行的第一個操作, 不要求驅動聲明一個對應的方法. 如果這個項是 NULL, 裝置打開一直成功, 但是你的驅動不會得到通知.
與open()函數對應的是release()函數。*/

int (*flush) (struct file *);
/*flush 操作在程序關閉它的裝置檔案描述符的拷貝時調用; 它應當執行(并且等待)裝置的任何未完成的操作.
這個必須不要和使用者查詢請求的 fsync 操作混淆了. 目前, flush 在很少驅動中使用;
 SCSI 錄音帶驅動使用它, 例如, 為確定所有寫的資料在裝置關閉前寫到錄音帶上. 如果 flush 為 NULL, 核心簡單地忽略使用者應用程式的請求.*/

int (*release) (struct inode *, struct file *);
/*release ()函數當最後一個打開裝置的使用者程序執行close()系統調用的時候，核心将調用驅動程式release()函數：
void release(struct inode inode,struct file *file),release函數的主要任務是清理未結束的輸入輸出操作，釋放資源，使用者自定義排他标志的複位等。
    在檔案結構被釋放時引用這個操作. 如同 open, release 可以為 NULL.*/

int(*synch)(struct file *,struct dentry *,int datasync);
//重新整理待處理的資料,允許程序把所有的髒緩沖區重新整理到磁盤。


int (*aio_fsync)(struct kiocb *, int);
 /*這是 fsync 方法的異步版本.所謂的fsync方法是一個系統調用函數。系統調用fsync
把檔案所指定的檔案的所有髒緩沖區寫到磁盤中（如果需要，還包括存有索引節點的緩沖區）。
相應的服務例程獲得檔案對象的位址，并随後調用fsync方法。通常這個方法以調用函數__writeback_single_inode()結束，
這個函數把與被選中的索引節點相關的髒頁和索引節點本身都寫回磁盤。*/

int (*fasync) (int, struct file *, int);
//這個函數是系統支援異步通知的裝置驅動，下面是這個函數的模闆：

static int ***_fasync(int fd,struct file *filp,int mode)
{
    struct ***_dev * dev=filp->private_data;
    return fasync_helper(fd,filp,mode,&dev->async_queue);//第四個參數為 fasync_struct結構體指針的指針。
//這個函數是用來處理FASYNC标志的函數。（FASYNC：表示相容BSD的fcntl同步操作）當這個标志改變時，驅動程式中的fasync（）函數将得到執行。
}
/*此操作用來通知裝置它的 FASYNC 标志的改變. 異步通知是一個進階的主題, 在第 6 章中描述.
這個成員可以是NULL 如果驅動不支援異步通知.*/

int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
//lock 方法用來實作檔案加鎖; 加鎖對正常檔案是必不可少的特性, 但是裝置驅動幾乎從不實作它.

ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
/*這些方法實作發散/彙聚讀和寫操作. 應用程式偶爾需要做一個包含多個記憶體區的單個讀或寫操作;
 這些系統調用允許它們這樣做而不必對資料進行額外拷貝. 如果這些函數指針為 NULL, read 和 write 方法被調用( 可能多于一次 ).*/

ssize_t (*sendfile)(struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *);
/*這個方法實作 sendfile 系統調用的讀, 使用最少的拷貝從一個檔案描述符搬移資料到另一個.
例如, 它被一個需要發送檔案内容到一個網絡連接配接的 web 伺服器使用. 裝置驅動常常使 sendfile 為 NULL.*/

ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
/*sendpage 是 sendfile 的另一半; 它由核心調用來發送資料, 一次一頁, 到對應的檔案. 裝置驅動實際上不實作 sendpage.*/

unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
/*這個方法的目的是在程序的位址空間找一個合适的位置來映射在底層裝置上的記憶體段中.
這個任務通常由記憶體管理代碼進行; 這個方法存在為了使驅動能強制特殊裝置可能有的任何的對齊請求. 大部分驅動可以置這個方法為 NULL.[10]*/

int (*check_flags)(int)
//這個方法允許子產品檢查傳遞給 fnctl(F_SETFL...) 調用的标志.

int (*dir_notify)(struct file *, unsigned long);
//這個方法在應用程式使用 fcntl 來請求目錄改變通知時調用. 隻對檔案系統有用; 驅動不需要實作 dir_notify.

5、建立裝置檔案（兩種方法）

（1）使用mknod手工建立：

利用cat /proc/devices檢視申請到的裝置名，裝置号。 mknod filename type major minor，例如：mknod /dev/test_dev c 250 0

（2）自動建立

　　利用udev（mdev）來實作裝置檔案的自動建立，首先應保證支援udev（mdev），由busybox配置。在驅動初始化代碼裡調用class_create為該裝置建立一個class，再為每個裝置調用device_create建立對應的裝置。

第一步：注冊/登出class

在2.6.26.6核心版本中，struct class定義在頭檔案include/linux/device.h中：

struct class 
{
  const char        *name;
  struct module     *owner;
  struct kset         subsys;
  struct list_head         devices;
  struct list_head         interfaces;
  struct kset              class_dirs;
  struct semaphore sem;    /* locks children, devices, interfaces */
  struct class_attribute   *class_attrs;
  struct device_attribute      *dev_attrs;

  int (*dev_uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env);
  void (*class_release)(struct class *class);
  void (*dev_release)(struct device *dev);
  int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state);
  int (*resume)(struct device *dev);
};

（a）靜态注冊/登出：通過class_register()、class_unregister()去注冊和登出/sys/class/test_dev。

#define class_register(class)           \ 
3 ({                      \ 
4     static struct lock_class_key __key; \ 
5     __class_register(class, &__key);    \ 
6 })

int __class_register(struct class *cls, struct lock_class_key *key);


void class_unregister(struct class *cls);

（b）動态注冊/登出：通過class_create()、class_destroy()去注冊和登出/sys/class/test_dev。其函數内部實質上分别調用了__class_register()和class_unregister()函數。

/* 
 * 其函數内部實質上調用了 __class_register()函數
 * owner指定類的所有者是哪個子產品
 * name指定類名
*/
#define class_create(owner, name)       \ 
({                      \ 
     static struct lock_class_key __key; \ 
     __class_create(owner, name, &__key);    \ 
})

struct class *__class_create(struct module *owner, const char *name, 
    struct lock_class_key *key);


/* 
 * 其函數内部實質上調用了class_unregister()函數
 * cls注冊成功後傳回的class
*/
void class_destroy(struct class *cls);

第二步：注冊/登出device

/*
 *函數功能：
 *   函數device_create()用于動态的建立邏輯裝置，并對新的邏輯裝置類進行相應初始化，将其與函數的第一        
 *   個參數所代表的邏輯類關聯起來，然後将此邏輯裝置加到linux核心系統的裝置驅動程式模型中。函數能自 
 *   動在/sys/devices/virtual目錄下建立新的邏輯裝置目錄，在/dev目錄下建立于邏輯類對應的裝置檔案

 *參數說明：
 *  struct class cls：與即将建立額邏輯裝置相關的邏輯類，在“class類 class_create使用”說明了。
 *  dev_t dev:裝置号
 *  void *drvdata: void類型的指針，代表回調函數的輸入參數
 *  const char *fmt: 邏輯裝置的裝置名,即在目錄 /sys/devices/virtual建立的邏輯裝置目錄的目錄名。
 */
 struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent,
                 dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...)


/*
 *函數功能： 
 *  函數device_destroy()用于從linux核心系統裝置驅動程式模型中移除一個裝置，并删 
 *  除/sys/devices/virtual目錄下對應的裝置目錄及/dev/目錄下對應的裝置檔案
 */
 void device_destroy(struct class *dev, dev_t devt);

6、核心空間與使用者空間的資料交換

unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n); 
unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n); 
put_user(local,user); 
get_user(local,user);

本文引用文章：https://www.cnblogs.com/geneil/archive/2011/12/03/2272869.html

linux字元裝置驅動開發總結

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