第12课第1节 字符设备驱动概念介绍

C库为应用程序提供标准系统接口,内核通过VFS,即虚拟文件系统，将根据打开文件的设备类型，主设备号调用实际的设备驱动程序。

字符设备驱动程序的框架(重要)

第一步:实现驱动程序

第二步:定义一个file_operations结构体

第三步:注册驱动，通知内核，register_chrdev函数,在入口函数中调用

第四步:定义进入内核的入口函数,例如first_drv_init();

第五步:module_init(first_drv_init);加载模块

第六步:定义离开内核的入口,例如first_drv_exit(),在其中取消注册,调用uregister_chrdev();

第七步:module_exit(first_drv_exit)

第八步:包含一些必要的头文件

字符设备驱动

1.设备号:手动静态分配,自动分配

2.设备节点手动静态分配,自动分配

3.上层应用调用设备节点->找到对应的驱动程序

mdev会根据提供的系统信息，自动生成设备节点，设备号。

系统信息保存在/sys/class/驱动目录下。

typedef int (*initcall_t)(void);意思是，initcall_t是一个返回值为int,参数为void的函数指针。

LED点灯程序

1.实现框架

2.完善硬件的操作->必须操作虚拟地址，不能操作物理地址。用ioremap();进行地址映射。

static inline unsigned imajor(const struct inode *inode)

{

return MAJOR(inode->i_rdev); /从inode->i_rdev中提取主设备号/

}

同样，iminor()函数在内部调用MINOR宏，如下代码所示。

static inline unsigned iminor(const struct inode *inode)

{

return MINOR(inode->i_rdev); ; /从inode->i_rdev中提取次设备号/

Linux可以使用互斥信号量来表示互斥锁，那就是通过宏DECLARE_MUTEX来定义一个互斥信号量，因为DECLARE_MUTEX这个宏

应用程序调用库提供的open打开设备→库根据open执行swi指令进入内核→内核根据参数找到相应的驱动→内核返回给库，库返回给应用程序。

static 表示函数作用域限制在本文件之内；

static int __init fun（）;

int,表示函数返回一个整型值

__init,表示告诉gcc,生成的模块中，把该函数放在init这个section;

init,是函数名

file_operations, file 和inode (2012-10-24 14:30:49)转载▼

标签： 杂谈 分类： 嵌入式

大多数基本的驱动操作涉及到内核的3个重要数据结构：file_operations, file 和inode。

我们已经拥有一些设备号，但是如何将其与驱动操作连在一起呢？file_operations结构就是这个桥梁，这个结构体定义在中，它是一群函数的指针集合，每个所打开的文件都存在一个f_op指针指向file_operations结构体，里面的操作大部分主要完成系统调用，如open,read等。我们可以将file看成对象,对它操作的操作看成是方法,使用面向对象程序设计（object-oriented programming）这个术语表征某一对象的行为声明会作用于它自身。后面将会看到更多这种情况。

一般来说，一个指向file_operations结构的指针称为fops。这个结构体里面的每个域必须指向驱动中的某些函数以完成一些特定的操作，或者赋予NULL值表示没有支持的操作。当被赋予NULL时，内核的具体行为对每个函数来说都不尽相同。

1 首先我们来看看file_operations结构吧

struct file_operations {

struct module *owner;

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

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

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

ssize_t (aio_read) (struct kiocb , const struct iovec *, unsigned long, loff_t);

ssize_t (aio_write) (struct kiocb , const struct iovec *, unsigned long, loff_t);

int (readdir) (struct file , void *, filldir_t);

unsigned int (poll) (struct file , struct poll_table_struct *);

int (ioctl) (struct inode , struct file *, unsigned int, unsigned long);

long (unlocked_ioctl) (struct file , unsigned int, unsigned long);

long (compat_ioctl) (struct file , unsigned int, unsigned long);

int (mmap) (struct file , struct vm_area_struct *);

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

int (flush) (struct file , fl_owner_t id);

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

int (fsync) (struct file , struct dentry *, int datasync);

int (aio_fsync) (struct kiocb , int datasync);

int (fasync) (int, struct file , int);

int (lock) (struct file , int, struct file_lock *);

ssize_t (sendpage) (struct file , struct page , int, size_t, loff_t , int);

unsigned long (get_unmapped_area)(struct file , unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);

int (*check_flags)(int);

int (flock) (struct file , int, struct file_lock *);

ssize_t (splice_write)(struct pipe_inode_info , struct file , loff_t , size_t, unsigned int);

ssize_t (splice_read)(struct file , loff_t , struct pipe_inode_info , size_t, unsigned int);

int (setlease)(struct file , long, struct file_lock **);

};

看到上面一大坨是不是有点晕呢？其实我们只关注一些在写驱动程序时需要用到的相关项就行了。

当你浏览file_operations结构中的各种操作方法时，我们可以发现有许多的参数含有”__user”，可以说这是一种规范吧，用以表明这是用户层空间的指针，在内核中我们不能直接对它进行引用。

先来看第一个域吧：struct module *owner;

这个域并非某种操作方式，它只是一个指向拥有此结构体的模块的指针，它主要是用来防止模块在使用的过程中被卸载。在大多数情况下，这个域一般都被初始化成THIS_MODULE,即 .owner = THIS_MODULE;

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

此方法是用来改变文件中的读写位置，函数正确返回的是一个新的位置。第二个参数：loff_t是一个“long”型的偏移量，一般是64位。函数出错时返回的是负值。

ssize_t (read) (struct file , char _ _user , size_t, loff_t );

此方法用于存储来自设备的数据，当返回值为非负值时表示成功读取的字节数，返回值一般是有符号整型的数据类型。

ssize_t (aio_read)(struct kiocb , char _ _user *, size_t, loff_t);

默认情况下为异步读取– 在函数返回之前，可能读操作并未全部完成。如果此方法为NULL型，所有的操作方式都由read（同步）代替。

ssize_t (write) (struct file , const char _ _user , size_t, loff_t );

主要是给设备发数据，如果函数返回值为非负整数，表示成功写入的字节数。

ssize_t (aio_write)(struct kiocb , const char _ _user , size_t, loff_t );

对设备进行异常的写操作

int (readdir) (struct file , void *, filldir_t);

对设备文件而言，此域应为NULL，因为它是用于读目录，在文件系统中使用。

unsigned int (poll) (struct file , struct poll_table_struct *);

这三个系统调用（poll, epoll，select）最终都用调用底层的poll方法，换句话说，这三个系统调用最终在驱动里都是执行poll方法。他们是用于查询是否对阻塞的文件描述符进行读写操作。Poll方法将返回一位隐码标志位（mask）来指明是否有可用的非阻塞读或写操作，如果有，则给内核提供一些信息，这些信息用于使相应的进程进入休眠直到IO可用。如果驱动中给此域赋NULL,此时设备无阻塞发生时依旧都是可读、可写的。

int (ioctl) (struct inode , struct file *, unsigned int, unsigned long);

ioctl系统调用提供了一种解决设备特殊命令的方法，如格式化磁盘操作，这些既不是读也不是写操作。此外，许多ioctl命令是由内核组织的而非从ftops表中引用，如果设备没有提供ioctl方法，此系统调用将返回错误。

int (mmap) (struct file , struct vm_area_struct *);

mmap用于将设备存储空间与进程的地址空间进行映射，如果此域为NULL,mmap系统调用将返回-ENODEV.

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

open总是在设备文件上执行的第一步操作。这个比较简单，不多说啦。。

int (flush) (struct file );

当进程关闭设备的文件描述时，flush操作就被触发，它将对设备执行一些非常重要的操作。不能将其与应用层上的fsync操作混淆。在目前，flush用在非常少的驱动上，如SCSI磁道驱动就使用它来确保在设备关闭之前所有的数据都被写入硬盘，如果flush为NULL,那么内核会忽略用户应用层的请求。

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

当file结构体被释放时，此操作被触发。与open一样，它也可以为NULL.

int (fsync) (struct file , struct dentry *, int);

此操作用于通知设备其FASYNC标志位发生变化了，此方法在异步通知得到了应用，如果此域为NULL,驱动就不支持异步通知操作了。

int (lock) (struct file , int, struct file_lock *);

用于完成文件的加锁操作。锁对一般文件而言是必不可少的特性，但是在设备驱动中不会实现它。

ssize_t (readv) (struct file , const struct iovec , unsigned long, loff_t );

ssize_t (writev) (struct file , const struct iovec , unsigned long, loff_t );

此方法主要完成分散或聚集式的read/write操作，应用程序偶尔需要在多个内存区域中做一些简单的读或写操作，这些系统调用可以使应用程序不需要在数据上做一些额外的工作就可以实现在多个内存中做简单的读写。如果为NULL,那么调用的就是read/write了。

ssize_t (sendpage) (struct file , struct page , int, size_t, loff_t , int);

ssize_t (sendfile)(struct file , loff_t , size_t, read_actor_t, void );

设备驱动一般不涉及此项

int (*check_flags)(int)

此方法允许模块检查传递给fcntl(F_SETFL…)的标志量。

2 file 文件结构

在设备驱动中，这也是个非常重要的数据结构，必须要注意一点，这里的file与用户空间程序中的FILE指针是不同的，用户空间FILE是定义在C库中，从来不会出现在内核中。而struct file，却是内核当中的数据结构，因此，它也不会出现在用户层程序中。

file结构体指示一个已经打开的文件，其实系统中的每个打开的文件在内核中都有一个相应的struct file结构体，直至文件被关闭。如果文件被关系，内核就会释放相应的数据结构。

在内核源码中，struct file要么表示为file，或者为filp(意指“file pointer”), 注意区分一点，file指的是struct file本身，而filp是指向这个结构体的指针。

fmode_t f_mode;

此文件模式通过FMODE_READ, FMODE_WRITE识别了文件为可读的，可写的，或者是二者。在open或ioctl函数中可能需要检查此域以确认文件的读/写权限，你不必直接去检测读或写权限，因为在进行octl等操作时内核本身就需要对其权限进行检测。

loff_t f_pos;

当前读写文件的位置。为64位。如果想知道当前文件当前位置在哪，驱动可以读取这个值而不会改变其位置。对read,write来说，当其接收到一个loff_t型指针作为其最后一个参数时，他们的读写操作便作更新文件的位置，而不需要直接执行filp ->f_pos操作。而llseek方法的目的就是用于改变文件的位置。

unsigned int f_flags;

文件标志，如O_RDONLY, O_NONBLOCK以及O_SYNC。在驱动中还可以检查O_NONBLOCK标志查看是否有非阻塞请求。其它的标志较少使用。特别地注意的是，读写权限的检查是使用f_mode而不是f_flog。所有的标量定义在头文件中

struct file_operations *f_op;

与文件相关的各种操作。当文件需要迅速进行各种操作时，内核分配这个指针作为它实现文件打开，读，写等功能的一部分。filp->f_op 其值从未被内核保存作为下次的引用，即你可以改变与文件相关的各种操作，这种方式效率非常高。

void *private_data;

在驱动调用open方法之前，open系统调用设置此指针为NULL值。你可以很自由的将其做为你自己需要的一些数据域或者不管它，如，你可以将其指向一个分配好的数据，但是你必须记得在file struct被内核销毁之前在release方法中释放这些数据的内存空间。private_data用于在系统调用期间保存各种状态信息是非常有用的。

3 inode结构

内核使用inode结构体在内核内部表示一个文件。因此，它与表示一个已经打开的文件描述符的结构体(即file 文件结构)是不同的，我们可以使用多个file 文件结构表示同一个文件的多个文件描述符，但此时，所有的这些file文件结构全部都必须只能指向一个inode结构体。

inode结构体包含了一大堆文件相关的信息，但是就针对驱动代码来说，我们只要关心其中的两个域即可：

(1) dev_t i_rdev;

表示设备文件的结点，这个域实际上包含了设备号。

(2)struct cdev *i_cdev;

struct cdev是内核的一个内部结构，它是用来表示字符设备的，当inode结点指向一个字符设备文件时，此域为一个指向inode结构的指针。

此外，内核也提供了两个宏可以从inode结点中获取主次设备号，宏的原型如下：

unsigned int iminor(struct inode *inode);

unsigned int imajor(struct inode *inode);