1、Linux中設(shè)備分類：按照對設(shè)備的訪問方式可分為以下三類：1. 字符設(shè)備(char device)(1) 例如：鍵盤、鼠標(biāo)、串口、幀緩存等；(2) 通過/dev/下的設(shè)備節(jié)點訪問；以字節(jié)為單位訪問；(3) 一般只支持順序訪問；(特例：幀緩存framebuffer)(4) 無緩沖。2. 塊設(shè)備(block device)(1) 例如：磁盤、光驅(qū)、flash等；(2) 以固定大小為單位訪問：磁盤以扇區(qū)(512B)為單位；flash以頁為單位。(3) 支持隨機訪問；(4) 有緩沖(減少磁盤IO，提高效率)。3. 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(network device)(1) 無設(shè)備文件(節(jié)點)；(2) 應(yīng)用層通過s

2、ocket接口訪問網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(報文發(fā)送和接收的媒介)。設(shè)備驅(qū)動在內(nèi)核中的結(jié)構(gòu)：1. VFS虛擬文件系統(tǒng)作用：向應(yīng)用層提供一致的文件訪問接口，正是由于VFS的存在，才可以將設(shè)備以文件的方式訪問。2. 虛擬文件系統(tǒng)，存在于內(nèi)存中，不在磁盤上，掉電丟失。例如：/proc、/sys、/tmp。設(shè)備號：1. 作用：唯一地標(biāo)識一個設(shè)備；2. 類型：dev_t devno;即32位無符號整型；3. 組成：31 主設(shè)備號major 2019 次設(shè)備號minor 0(1) 主設(shè)備號：用于區(qū)分不同類型(按功能劃分)的設(shè)備；(2) 此設(shè)備號：用于區(qū)分相同類型的不同設(shè)備。注意：相同類型的設(shè)備(主設(shè)備號相同)可以使用同一

3、個驅(qū)動。4. 構(gòu)建設(shè)備號：int major = 250; int minor = 0;(1) dev_t devno = (major << 20) | minor;不建議使用；(2) 利用宏來構(gòu)建：dev_t devno = MKDEV (major, minor);注意：我們可以通過文件$(srctree)/documentation/device.txt來查看內(nèi)核對設(shè)備號的分配情況。(1) 該文本中的有對應(yīng)設(shè)備文件的設(shè)備號是已經(jīng)被申請過的，我們不可以重復(fù)使用(申請)；(2) 從中可以看出，我們在編寫驅(qū)動程序時可以使用的主設(shè)備號范圍為240254，為了方便記憶，通常使用250

4、作為主設(shè)備號。字符設(shè)備驅(qū)動框架：驅(qū)動：作用，為應(yīng)用層提供訪問設(shè)備的接口(對設(shè)備發(fā)的各種操作)。一、 申請設(shè)備號1. 構(gòu)建設(shè)備號：dev_t devno = MKDEV (major, minor);2. 申請設(shè)備號：(1) 動態(tài)申請：alloc_chrdev_region；(2) 靜態(tài)申請： register_chrdev_region。(3) 靜態(tài)申請設(shè)備號的優(yōu)缺點：優(yōu)點：可以提前創(chuàng)建設(shè)備文件；缺點：有可能會發(fā)成沖突，導(dǎo)致申請失敗。(4) register_chrdev_region函數(shù)詳解：注意： 最后一個參數(shù)是設(shè)備名稱。且在/proc/devices下會有關(guān)于當(dāng)前系統(tǒng)已經(jīng)注冊成功的設(shè)備信

5、息； 申請設(shè)備號應(yīng)在加載函數(shù)中實現(xiàn)；同時，在卸載函數(shù)中我們也要調(diào)用unregister_chrdev_region來釋放設(shè)備號。二、 實現(xiàn)操作集合struct file_operations 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 *

6、,size_t,loff_t *);unsigned int (*poll) (struct fiel *, poll_table *);int (*fasync) (int, struct file *, int);long (*unlock_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);int (*open) (struct inode *, struct file *);int (*release) (struct inode

7、 *, struct file *);int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);除owner成員外，其他成員均是對文件進行相關(guān)操作的函數(shù)指針。1. 對設(shè)備的大多數(shù)操作函數(shù)都有參數(shù)struct file *filp；2. 在起始階段我們可以先定義一個空的操作集合：struct file_operations .owner = THIS_MODULE ;注意：(1) 可以看出宏THIS_MODULE代表結(jié)構(gòu)體struct module的起始地址；(

8、2) 我們可以通過“.<struct_member_name> = <>,”語法來給結(jié)構(gòu)體指定成員賦值。三、 注冊字符設(shè)備：1. 通過結(jié)構(gòu)體struct cdev將設(shè)備號devno和操作集合file_operations關(guān)聯(lián)起來；2. 并將cdev結(jié)構(gòu)體加入到內(nèi)核維護的cdev鏈表中。(計算機系統(tǒng)支持很多字符設(shè)備，內(nèi)核會維護一個cdev鏈表，這樣我們就可以通過設(shè)備號找到對應(yīng)的操作集合了)3. cdev結(jié)構(gòu)體的定義如下：4. 我們通過調(diào)用內(nèi)核函數(shù)cdev_init和cdev_add來完成字符設(shè)備的注冊。注意：注冊字符設(shè)備應(yīng)在加載函數(shù)中實現(xiàn)；同時，在卸載函數(shù)中，我們要調(diào)用c

9、dev_del函數(shù)來注銷字符設(shè)備。且注銷字符設(shè)備應(yīng)在釋放設(shè)備號之前進行。應(yīng)用層如何訪問設(shè)備：1. 在Linux中一切皆文件；2. 因為VFS(向應(yīng)用層提供一致的文件訪問接口)，應(yīng)用層也可以將設(shè)備當(dāng)做文件來訪問；3. 應(yīng)用層要想訪問設(shè)備，首先要創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點：命令：mknod <device_name> c/b <major> <minor>注意：(1) mknod /dev/hello c 250 0(2) mknod /dev/hello c 250 1 錯誤；(3) mknod /dev/hello1 c 250 0 正確，即可以有多個設(shè)備節(jié)點指向同一個設(shè)

10、備。操作集合打開open：1. 統(tǒng)計計數(shù)，檢查錯誤；(一個設(shè)備可以被多個進程打開)2. 申請資源：(1) 在xxx_open()函數(shù)中也可以申請資源；(2) 若在open中申請資源，則對應(yīng)要在release中釋放資源；(3) 若在加載函數(shù)中申請資源，則對應(yīng)要在卸載函數(shù)中釋放資源。3. 識別次設(shè)備號。(在一個驅(qū)動識別多個設(shè)備中有應(yīng)用)4. 在應(yīng)用層調(diào)用open函數(shù)打開設(shè)備的實現(xiàn)過程：(1) int fd = open (“/dev/hello”, O_RDWR);(2) sys_open();系統(tǒng)調(diào)用(3) vfs_open();虛擬文件系統(tǒng)提供的操作接口注意：在vfs_open()函數(shù)執(zhí)行時，

11、會在內(nèi)存中創(chuàng)建兩個結(jié)構(gòu)體： struct inode dev_t i_rdev; struct cdev *i_cdev;記錄所打開文件的靜態(tài)信息；是將磁盤上的inode節(jié)點信息讀過來的。 struct file struct file *f_op;記錄所打開文件的動態(tài)信息：包括打開方式、當(dāng)前讀寫位置、用戶信息等。(4) xxx_open(struct inode *, struct file *);注意： 應(yīng)用層的文件描述符fd與內(nèi)核中的struct file結(jié)構(gòu)體是一一對應(yīng)的，即每打開一個設(shè)備文件，就會在內(nèi)存中創(chuàng)建一個struct file類型的結(jié)構(gòu)體變量。每個進程都維護有一個文件描述符表

12、：fd與struct file的對應(yīng)關(guān)系。 與xxx_open()函數(shù)相對應(yīng)的是xxx_release()函數(shù)。(1) file結(jié)構(gòu)體：(文件的靜態(tài)屬性)struct fileconst struct file_operations *f_op;/操作集合結(jié)構(gòu)體指針unsigned int f_flags;/文件打開方式：如O_NONBLOCKloff_t f_ops;/當(dāng)前讀寫位置void *private_data;/文件私有數(shù)據(jù)，通常用來存放設(shè)備結(jié)構(gòu)體的地址;應(yīng)用： 在多個同類型的設(shè)備共用一個驅(qū)動程序時：為了在驅(qū)動中識別不同的設(shè)備，可以將設(shè)備結(jié)構(gòu)體的地址保存到file結(jié)構(gòu)體的私有成員中；

13、 利用file結(jié)構(gòu)體的f_flags成員，判斷進程是以阻塞還是非阻塞方式訪問文件。(2) inode結(jié)構(gòu)體：(文件的動態(tài)信息)struct inodeumode_t i_mode;/inode的權(quán)限uid_t i_uid;/inode擁有者的idgid_t i_gid;/inode所屬的組iddev_t i_rdev;/設(shè)備號struct timespec i_atime;/inode最近一次的存取時間struct timespec i_mtime;/inode最近一次的修改時間struct timespec i_ctime;/inode的產(chǎn)生時間union /若是塊設(shè)備，為其對應(yīng)的block

14、_device結(jié)構(gòu)體指針struct block_device *i_bdev;struct cdev *i_cdev;/若是字符設(shè)備，為其對應(yīng)的cdev結(jié)構(gòu)體指針;讀read：相應(yīng)地，read()->sys_read()->vfs_read()->xxx_read()->copy_to_user。APP：ssize_t read (int fd, void *buf, size_t count);driver：ssize_t xxx_read (struct file *,char _user *,size_t,loff_t *);讀(寫)操作在內(nèi)核空間和用戶空間會發(fā)

15、生數(shù)據(jù)交互。在xxx_read(xxx_write)函數(shù)中我們通過調(diào)用內(nèi)核函數(shù)：copy_to_user(cpy_from_user)將數(shù)據(jù)返回給用戶buffer(將用戶數(shù)據(jù)讀到本地buffer)。1. read()函數(shù)：(1) 成功：返回實際讀到的字節(jié)數(shù)；(2) 失敗：返回-1并設(shè)置errno(非負)。注意：errno就是通過將xxx_read()函數(shù)的失敗返回值取絕對值得到的。2. xxx_read()函數(shù)：(1) 成功：返回實際讀到的字節(jié)數(shù)；(2) 失敗：返回負的錯誤碼-EFAULT。3. copy_to_user()函數(shù)：(1) 成功：返回0；(2) 失敗：返回剩余沒有拷貝成功的字節(jié)數(shù)

16、。注意：(1) copy_to_user和copy_from_user在執(zhí)行時進程有可能會阻塞(sleep)，所以不能用于中斷處理；(2) copy_from_user()：成功返回0；失敗返回剩余沒有寫成功的字節(jié)數(shù)。(3) 二者包含在頭文件<asm/uaccess.h>中。實例：mmap操作：一些設(shè)備，諸如：video/audio/framebuffer，在用戶空間和內(nèi)核空間之間會有很多的數(shù)據(jù)交互，使用copy_to_user/copy_from_user，要在用戶空間和內(nèi)核空間進行不斷地切換，開銷太大。我們可以利用mmap操作，作用：將設(shè)備內(nèi)存映射到用戶空間訪問，減小開銷。(類

17、似于進程間通信的共享內(nèi)存機制)ioctl操作：對設(shè)備的訪問控制，如果都用讀寫操作來實現(xiàn)，未免開銷太大；例如，控制LED燈的亮滅，我們完全可以利用ioctl函數(shù)來實現(xiàn)。APP：int ioctl (int d, int request, . . .);driver：long (*unlock_ioctl) (struct file *,unsigned int,unsigned long);注意：在2.6.35內(nèi)核之前，應(yīng)用層ioctl函數(shù)驅(qū)動中的ioctl函數(shù)指針；在2.6.35內(nèi)核之后，則對應(yīng)unlock_ioctl函數(shù)指針。ioctl操作是通過命令字來控制底層設(shè)備的，命令字的組成如下：8b

18、it:type類型8bit:nr編號2bit:dir數(shù)據(jù)方向14bit:size數(shù)據(jù)尺寸用2bit來表示數(shù)據(jù)傳輸方向，有4種情況：無數(shù)據(jù)傳輸、用戶->內(nèi)核、內(nèi)核->用戶、雙向傳輸。通常，我們利用ioctl操作來控制設(shè)備，不涉及數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)核通過四個宏用來定義命令字，且命令字要在驅(qū)動中和應(yīng)用程序中約定好：_IO/_IOR/_IOW/_IORW。實例：利用ioctl對串口波特率進行讀寫：(1) 獲取波特率：int baudrate; ioctl(fd, GET_BAUD,(unsigned long)&baudrate); 為了保存波特率，我們需要對參數(shù)進行強制類型轉(zhuǎn)換。(2) 設(shè)置波特率：ioctl(fd, SET_BAUD, 115200);注意：(1) 處于安全考慮，在用戶操作設(shè)備時，需要判斷進程是否具有管理員的權(quán)限；(2) 我們可以調(diào)用內(nèi)核capable()函數(shù)來判斷進程的權(quán)限：返回值為0，無權(quán)限；返回值為1，有權(quán)限。驅(qū)動程序的調(diào)試：1. /printk注釋2. #ifde