linux字符设备放在“/dev”目录中。字符设备是指只能一个字节一个字节进行读写操作的设备,一般每个字符设备或者块设备都会在“/dev”目录下对应一个设备文件,并且每个设备文件都必须有主/次设备号,主设备号相同的设备是同类设备,使用同一个驱动程序。
本教程操作环境:linux7.3系统、Dell G3电脑。
1、Linux设备驱动分类
Linux系统将设备分为三个类:字符设备、块设备、网络设备,在这三大类中,字符设备相对比较简单,应用程序通过字符设备文件来访问字符设备,本讲主要介绍字符设备,如果对块设备和网络设备感兴趣的话,可以参看相关资料,并对其进行深入了解。
2、什么是字符设备?
字符设备是指只能一个字节一个字节进行读写操作的设备,不能随机读取设备中的某一数据、读取数据要按照先后顺序。字符设备是面向流的设备,常见的字符设备有鼠标、键盘、串口、控制台和LED等。
一般每个字符设备或者块设备都会在/dev目录下对应一个设备文件,并且每个设备文件都必须有主/次设备号,主设备号相同的设备是同类设备,使用同一个驱动程序。
Linux用户层程序通过设备文件来使用驱动程序操作字符设备或块设备。
可以通过
cat /proc/devices
命令查看当前已经加载的设备驱动程序的主设备号。
通过在/dev目录下执行命令
ls -l
可以看到所有设备文件的主设备号和次设备号:
对常见设备文件作如下说明:
/dev/hd[a-t]:IDE设备 /dev/sd[a-z]:SCSI设备 /dev/fd[0-7]:标准软驱 /dev/md[0-31]:软raid设备 /dev/loop[0-7]:本地回环设备 /dev/mem:内存 /dev/null:无限数据接收设备,相当于黑洞 /dev/zero:无限零资源 /dev/tty[0-63]:虚拟终端 /dev/ttyS[0-3]:串口 /dev/lp[0-3]:并口 /dev/console:控制台 /dev/fb[0-31]:framebuffer /dev/cdrom => /dev/hdc /dev/modem => /dev/ttyS[0-9] /dev/pilot => /dev/ttyS[0-9]
3、如何建立设备文件?
建立设备文件有两种方式,一是通过系统调用mknod(),编程中调用该函数可以建立一个新的设备文件名,另外一种就是通过mknod命令,命令的第一个参数为设备文件名,第二个参数为设备类型,比如c表示字符设备,第三、四个参数为设备文件的主设备号和次设备号,比如231和0。主设备号和次设备号合起来唯一的确定一个设备,同一个设备不同类型的主设备号是一样的,次设备号不同,比如一个硬盘的多个分区就有不同的次设备号,通过主设备号就可以把设备文件与驱动程序关联起来。
mknod filename type major minor
- filename:要创建的设备文件名;
- type:设备类型,c代表一个字符设备,b代表一个块设备;
- major:主设备号;
- minor:次设备号;
4、如何描述字符设备?
Linux内核中抽象出struct cdev结构体来表示一个字符设备,cdev 定义于 <linux/cdev.h> 中其中,其中最关键的是file_operations结构,它是实现字符设备的操作集。
struct cdev { struct kobject kobj; // 内嵌内核对象 struct module *owner; //该字符设备所在的内核模块 const struct file_operations *ops; //文件操作结构体 struct list_head list; //已注册字符设备链表 dev_t dev; //由主、次设备号构成的设备号 unsigned int count;//同一主设备号的次设备号的个数 };
Linux使用file_operations结构访问驱动程序的函数,这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。
struct file_operations { struct module *owner; loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, 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); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,loff_t *); ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); };
用户进程利用在对设备文件进行诸如read,write操作的时候,系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序,然后读取这个数据结构相应的函数指针,接着把控制权交给该函数,这是Linux的设备驱动程序工作的基本原理。
5、字符设备与文件系统的接口
如图,在Linux内核中,最左边, 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虚拟文件系统VFS的接口函数,如常见的open()、read()、write()等,这些函数真正的操作硬件设备。
在上一个图的基础上我们看这个图,字符设备驱动程序是以内核模块的形式加载到内核中的,首先模块加载函数按静态或者动态方式获取设备号;然后字符设备初始化函数建立cdev与 file_operations之间的连接, 通过注册函数向系统添加一个cdev以完成注册; 模块卸载时与加载对应,要注销cdev,并释放设备号。
在用户程序中,可以通过系统调用open(), read(), write()等调用驱动程序在内核中所实现的这些函数。这样用户态到内核驱动之间的通路就打通了。
6、编写简单的字符设备驱动程序
如图,编写字符设备驱动分为三大步骤:
- 驱动的初始化,其中又分为四个步骤,调用相关的函数达到。
- 实现设备的操作,具体的操作取决于你自己所要实现的功能,这里只列出了基本的操作
- 驱动的注销,注销就是释放资源。
其中调用的接口函数功能如下:
第1个函数是分配函数,动态申请cdev的内存,给该结构分配内存空间。
第2个函数是初始化函数,初始化cdev的成员,并建立cdev和file_operations之间关联.
第3个函数注册cdev设备对象,也就是把字符设备添加到字符设备表中,就像大家入学时进行注册一样。
第4个函数是注销驱动程序调用,将cdev对象从系统中删除。
第5个函数释放cdev数据结构所占的内存。
6.1 设备号的申请和释放
一个字符设备或块设备都有一个主设备号和一个次设备号。主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序,用来反映设备类型。次设备号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备,用来区分同类型的设备。注册时申请设备号,注销时释放设备号,就像大家入学是有一个学号,毕业离开时就释放掉这个学号。
6.2 用户空间与内核空间数据的传送
当我们在用户程序中调用read()函数时,陷入内核空间,实际上要通过内核的copy_to_user()函数把内核空间缓冲区中的数据拷贝到用户空间的缓冲区,反之,当我们调用write()函数时,内核通过调用copy_from_user()函数把用户空间的数据拷贝到内核缓冲区。
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