看完宋宝华的《Linux设备驱动开发详解》及其有关博客，对字符设备驱动做一个小总结。
一、字符设备、字符设备驱动与用户空间访问该设备的程序三者之间的关系。
如图，在Linux内核中使用cdev结构体来描述字符设备，通过其成员dev_t来定义设备号（分为主、次设备号）以确定字符设备的唯一性。通过其成员file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数，如常见的open()、read()、write()等。
在Linux字符设备驱动中，模块加载函数通过register_chrdev_region( ) 或alloc_chrdev_region( )来静态或者动态获取设备号，通过cdev_init( )建立cdev与file_operations之间的连接，通过cdev_add( )向系统添加一个cdev以完成注册。模块卸载函数通过cdev_del( )来注销cdev，通过unregister_chrdev_region( )来释放设备号。
用户空间访问该设备的程序通过Linux系统调用，如open( )、read( )、write( )，来“调用”file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数。
二、字符设备驱动模型
（PS:神马情况！本地上传的图片，质量下降这么多）
1. 驱动初始化
1.1. 分配cdev
在2.6的内核中使用cdev结构体来描述字符设备，在驱动中分配cdev,主要是分配一个cdev结构体与申请设备号，以按键驱动为例：
01/*……*/
02/*分配cdev*/
03structcdevbtn_cdev;
04/*……*/
05/*1.1申请设备号*/
06if(major){
07//静态
08dev_id=MKDEV(major,0);
09register_chrdev_region(dev_id,1,"button");
10}else{
11//动态
12alloc_chardev_region(&dev_id,0,1,"button");
13major=MAJOR(dev_id);
14}
15/*……*/
从上面的代码可以看出，申请设备号有动静之分，其实设备号还有主次之分。
在Linux中以主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序。次编号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备。cdev 结构体的 dev_t 成员定义了设备号，为 32 位，其中高 12 位为主设备号，低20 位为次设备号。
设备号的获得与生成：
获得：主设备号：MAJOR(dev_t dev);
次设备号：MINOR(dev_t dev);
生成：MKDEV(int major,int minor);
设备号申请的动静之分：
静态：
1intregister_chrdev_region(dev_tfrom,unsignedcount,constchar*name)；
2/*功能：申请使用从from开始的count个设备号(主设备号不变，次设备号增加）*/
静态申请相对较简单，但是一旦驱动被广泛使用,这个随机选定的主设备号可能会导致设备号冲突，而使驱动程序无法注册。
动态：
1intalloc_chrdev_region(dev_t*dev,unsignedbaseminor,unsignedcount,constchar*name)；
2/*功能：请求内核动态分配count个设备号，且次设备号从baseminor开始。*/
动态申请简单，易于驱动推广，但是无法在安装驱动前创建设备文件（因为安装前还没有分配到主设备号）。
1.2. 初始化cdev
void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *);
cdev_init()函数用于初始化 cdev 的成员，并建立 cdev 和 file_operations 之间的连接。
1.3. 注册cdev
int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
cdev_add()函数向系统添加一个 cdev，完成字符设备的注册。
1.4. 硬件初始化
硬件初始化主要是硬件资源的申请与配置，以TQ210的按键驱动为例：
1/*1.4硬件初始化*/
2//申请GPIO资源
3gpio_request(S5PV210_GPH0(0),"GPH0_0");
4//配置输入
5gpio_direction_input(S5PV210_GPH0(0));
2.实现设备操作
用户空间的程序以访问文件的形式访问字符设备，通常进行open、read、write、close等系统调用。而这些系统调用的最终落实则是file_operations结构体中成员函数，它们是字符设备驱动与内核的接口。以TQ210的按键驱动为例：
1/*设备操作集合*/
2staticstructfile_operationsbtn_fops={
3.owner=THIS_MODULE,
4.open=button_open,
5.release=button_close,
6.read=button_read
7};
上面代码中的button_open、button_close、button_read是要在驱动中自己实现的。file_operations结构体成员函数有很多个，下面就选几个常见的来展示：
2.1. open（）函数
原型：
1int(*open)(structinode*,structfile*);
2/*打开*/
案例：
01staticintbutton_open(structinode*inode,structfile*file){
02unsignedlongflags;
03//获取分配好的私有数据结构的首地址
04structbutton_priv*pbtnp=container_of(inode->i_cdev,
05structbutton_priv,
06btn_cdev);
07//保存首地址到file->private_data
08file->private_data=pbtnp;
09if(down_interruptible(&pbtnp->sema)){
10printk("ProccessisINT!\n");
11return-EINTR;
12}
13printk("openbuttonsuccessfully!\n");
14return0;
15}
2.2. read( )函数
原型：
1ssize_t(*read)(structfile*,char__user*,size_t,loff_t*);
2/*用来从设备中读取数据，成功时函数返回读取的字节数，出错时返回一个负值*/
案例：
01staticssize_tbutton_read(structfile*file,char__user*buf,
02size_tcount,loff_t*ppos){
03//获取首地址
04structbutton_priv*pbtnp=file->private_data;
05//判断按键是否有操作，如果有，则读取键值并上报给用户；反之，则休眠
06wait_event_interruptible(pbtnp->btn_wq,is_press!=0);
07is_press=0;
08//上报键值
09copy_to_user(buf,&key_value,sizeof(key_value));
10returncount;
11}
12/*参数：file是文件结构体指针，buf是用户空间内存的地址，该地址在内核空间不能直接读写，
13count是要读的字节数，ppos是读的位置相对于文件开头的偏移*/
2.3. write( )函数
原型：
1ssize_t(*write)(structfile*,constchar__user*,size_t,loff_t*);
2/*向设备发送数据，成功时该函数返回写入的字节数。如果此函数未被实现，
3当用户进行write()系统调用时，将得到-EINVAL返回值*/
案例：
01staticssize_tmem_write(structfile*filp,constchar__user*buf,
02size_tsize,loff_t*ppos){
03unsignedlongp=*ppos;
04unsignedintcount=size;
05intret=0;
06int*register_addr=filp->private_data;/*获取设备的寄存器地址*/
07/*分析和获取有效的写长度*/
08if(p>=5*sizeof(int))
09return0;
10if(count>5*sizeof(int)-p)
11count=5*sizeof(int)-p;
12/*从用户空间写入数据*/
13if(copy_from_user(register_addr+p,buf,count))
14ret=-EFAULT;
15else{
16*ppos+=count;
17ret=count;
18}
19returnret;
20}
21/*参数：filp是文件结构体指针，buf是用户空间内存的地址，该地址在内核空间不能直接读写，
22count是要读的字节数，ppos是读的位置相对于文件开头的偏移*/
2.4. close( )函数
原型：
1int(*release)(structinode*,structfile*);
2/*关闭*/
案例：
1staticintbutton_close(structinode*inode,structfile*file){
2/*1.获取首地址*/
3structbutton_priv*pbtnp=file->private_data;
4up(&pbtnp->sema);
5return0;
6}
2.5. 补充说明
1.在Linux字符设备驱动程序设计中，有3种非常重要的数据结构：struct file、struct inode、struct file_operations。
struct file代表一个打开的文件。系统中每个打开的文件在内核空间都有一个关联的struct file。它由内核在打开文件时创建, 在文件关闭后释放。其成员loff_t f_pos 表示文件读写位置。
struct inode用来记录文件的物理上的信息。因此,它和代表打开文件的file结构是不同的。一个文件可以对应多个file结构,但只有一个inode结构。其成员dev_t i_rdev表示设备号。
struct file_operations一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作。结构中的成员指向驱动中的函数,这些函数实现一个特别的操作, 对于不支持的操作保留为NULL。
2. 在read( )和write( )中的buff 参数是用户空间指针。因此,它不能被内核代码直接引用，因为用户空间指针在内核空间时可能根本是无效的——没有那个地址的映射。因此，内核提供了专门的函数用于访问用户空间的指针：
1unsignedlongcopy_from_user(void*to,constvoid__user*from,unsignedlongcount);
2unsignedlongcopy_to_user(void__user*to,constvoid*from,unsignedlongcount);
3. 驱动注销
3.1. 删除cdev
在字符设备驱动模块卸载函数中通过cdev_del()函数向系统删除一个cdev，完成字符设备的注销。
1/*原型：*/
2voidcdev_del(structcdev*);
3/*例：*/
4cdev_del(&btn_cdev);
3.2. 释放设备号
在调用cdev_del()函数从系统注销字符设备之后，unregister_chrdev_region()应该被调用以释放原先申请的设备号。
1/*原型：*/
2voidunregister_chrdev_region(dev_tfrom,unsignedcount);
3/*例：*/
4unregister_chrdev_region(MKDEV(major,0),1);
三、Linux字符设备驱动模板与案例
1.字符设备驱动模块加载与卸载函数模板
在实际开发中，通常习惯为设备定义一个设备相关的结构体，其包含该设备所涉及到的cdev、私有数据及信号量等信息。
01/*字符设备驱动模块加载与卸载函数模板*/
02/*设备结构体
03structxxx_dev_t{
04structcdevcdev;
05...
06}xxx_dev;
07/*设备驱动模块加载函数
08staticint__initxxx_init(void){
09...
10cdev_init(&xxx_dev.cdev,&xxx_fops);/*初始化cdev*/
11xxx_dev.cdev.owner=THIS_MODULE;
12/*获取字符设备号*/
13if(xxx_major){
14register_chrdev_region(xxx_dev_no,1,DEV_NAME);
15}else{
16alloc_chrdev_region(&xxx_dev_no,0,1,DEV_NAME);
17}
18ret=cdev_add(&xxx_dev.cdev,xxx_dev_no,1);/*注册设备*/
19...
20}
21
22/*设备驱动模块卸载函数*/
23staticvoid__exitxxx_exit(void){
24unregister_chrdev_region(xxx_dev_no,1);/*释放占用的设备号*/
25cdev_del(&xxx_dev.cdev);/*注销设备*/
26...
27}
2.字符设备驱动读、写、IO控制函数模板
01/*字符设备驱动读、写、IO控制函数模板*/
02/*读设备*/
03ssize_txxx_read(structfile*filp,char__user*buf,
04size_tcount,loff_t*f_pos){
05...
06copy_to_user(buf,...,...);
07...
08}
09
10/*写设备*/
11ssize_txxx_write(structfile*filp,constchar__user*buf,
12size_tcount,loff_t*f_pos){
13...
14copy_from_user(...,buf,...);
15...
16}
17
18/*ioctl函数*/
19intxxx_ioctl(structinode*inode,structfile*filp,
20unsignedintcmd,unsignedlongarg){
21...
22switch(cmd){
23caseXXX_CMD1:
24...
25break;
26caseXXX_CMD2:
27...
28break;
29default:
30/*不能支持的命令*/
31return-ENOTTY;
32}
33return0;
34}
在设备驱动的读、写函数中，filp是文件结构体指针，buf是用户空间内存的地址，该地址在内核空间不能直接读写，count 是要读的字节数，f_pos是读的位置相对于文件开头的偏移。
3.TQ210的最简单按键驱动示例
001#include<linux/init.d>
002#include<linux/module.h>
003#include<linux/cdev>
004#include<linux/fs.h>
005#include<linux/types.h>
006#include<linux/uaccess.h>
007#include<linux/device.h>
008
009#include<plat/gpio-cfg.h>
010#include<asm/gpio.h>
011
012staticintmajor;
013/*分配cdev*/
014structcdevbtn_cdev;
015
016/*记录按键值*/
017staticunsignedcharkey_value;
018
019/*2.实现设备操作*/
020/*2.1read*/
021staticssize_tbutton_read(structfile*file,char__user*buf,
022size_tcount,loff_t*ppos){
023intstatus=0;
024
025//1.获取GPIO的状态
026status=gpio_get_value(S5PV210_GPH0(0));
027if(status==1)
028key_value=0x50;
029else
030key_value=0x51;
031
032//2.上报GPIO的状态
033copy_to_user(buf,&key_value,sizeof(key_value));
034
035returncount;
036}
037
038/*2.2设备操作集合*/
039staticstructfile_operationsbtn_fops={
040.owner=THIS_MODULE,
041.read=button_read
042};
043
044//设备类
045staticstructclass*btn_cls;
046
047/*1.驱动初始化*/
048staticinitbutton_init(void){
049dev_tdev_id;
050/*1.1申请设备号*/
051if(major){
052//静态
053dev_id=MKDEV(major,0);
054register_chrdev_region(dev_id,1,"button");
055}else{
056//动态
057alloc_chardev_region(&dev_id,0,1,"button");
058major=MAJOR(dev_id);
059}
060
061/*1.2初始化cdev*/
062cdev_init(&btn_cdev,&btn_fops);
063
064/*1.3注册cdev*/
065cdev_add(&btn_cdev,dev_id,1);
066
067/*1.4自动创建设备节点*/
068/*1.4.1创建设备类*/
069//sys/class/button
070btn_cls=class_create(THIS_MODULE,"button");
071/*1.4.2创建设备节点*/
072device_create(btn_cls,NULL,dev_id,NULL,"button");
073
074/*1.4硬件初始化*/
075//申请GPIO资源
076gpio_request(S5PV210_GPH0(0),"GPH0_0");
077//配置输入
078gpio_direction_input(S5PV210_GPH0(0));
079
080return0;
081
082}
083
084
085/*3.驱动注销*/
086staticvoidbutton_exit(void){
087/*3.1释放GPIO资源*/
088gpio_free(S5PV210_GPH0(0));
089
090/*3.2删除设备节点*/
091device_destroy(btn_cls,MKDEV(major,0));
092class_destroy(btn_cls);
093
094/*3.3删除cdev*/
095cdev_del(&btn_cdev);
096
097/*3.4释放设备号*/
098unregister_chrdev_region(MKDEV(major,0),1);
099}
100
101module_init(button_init);
102module_exit(button_exit);
103MODULE_LICENSE("GPLv2");
我们摇摇头说，困难其实没什么大不了。
