一、字符設備基礎
字符設備：是指只能一個字節一個字節進行讀寫操作的設備，不能隨機讀取設備中的某一數據、讀取數據要按照先后數據。字符設備是面向流的設備，常見的字符設備有鼠標、鍵盤、串口、控制台和LED等。
一般每個字符設備或者塊設備都會在/dev目錄（可以是任意目錄，這樣是為了統一）下對應一個設備文件。linux用戶層程序通過設備文件來使用驅動程序操作字符設備或塊設備。
二、字符設備驅動與用戶空間訪問該設備的程序三者之間的關系
字符設備是3大類設備（字符設備、塊設備、網絡設備）中較簡單的一類設備、其驅動程序中完成的主要工作是初始化、添加和刪除 struct cdev 結構體，申請和釋放設備號，以及填充 struct file_operations 結構體中斷的操作函數，實現 struct file_operations 結構體中的read()、write()和ioctl()等函數是驅動設計的主體工作。
如圖，在Linux內核代碼中：
- 使用struct cdev結構體來抽象一個字符設備；
- 通過一個dev_t類型的設備號（分為主（major）、次設備號（minor））一確定字符設備唯一性；
- 通過struct file_operations類型的操作方法集來定義字符設備提供個VFS的接口函數。
三、字符設備模型
1、Linux內核中，使用 struct cdev 來描述一個字符設備
<include/linux/cdev.h> struct cdev { struct kobject kobj; //內嵌的內核對象. struct module *owner; //該字符設備所在的內核模塊（所有者）的對象指針，一般為THIS_MODULE主要用於模塊計數 const struct file_operations *ops; //該結構描述了字符設備所能實現的操作集（打開、關閉、讀/寫、...），是極為關鍵的一個結構體 struct list_head list; //用來將已經向內核注冊的所有字符設備形成鏈表 dev_t dev; //字符設備的設備號，由主設備號和次設備號構成（如果是一次申請多個設備號，此設備號為第一個） unsigned int count; //隸屬於同一主設備號的次設備號的個數 ... };
對於struct cdev內核提供了一些操作接口：
頭文件linux/cdev.h
動態申請（構造）cdev內存（設備對象）
struct cdev *cdev_alloc(void); /* 返回值： 成功 cdev 對象首地址 失敗：NULL */
初始化cdev的成員，並建立cdev和file_operations之間關聯起來
void cdev_init(struct cdev *p, const struct file_operations *p); /* 參數： struct cdev *p - 被初始化的 cdev對象 const struct file_operations *fops - 字符設備操作方法集 */
注冊cdev設備對象（添加到系統字符設備列表中）
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count); /* 參數： struct cdev *p - 被注冊的cdev對象 dev_t dev - 設備的第一個設備號 unsigned - 這個設備連續的次設備號數量 返回值： 成功：0 失敗：負數（絕對值是錯誤碼）*/
將cdev對象從系統中移除（注銷 ）
void cdev_del(struct cdev *p); /*參數： struct cdev *p - 要移除的cdev對象 */
釋放cdev內存
void cdev_put(struct cdev *p); /*參數： struct cdev *p - 要移除的cdev對象 */
2、設備號申請/釋放
一個字符設備或塊設備都有一個主設備號和一個次設備號。主設備號用來標識與設備文件相連的驅動程序，用來反映設備類型。次設備號被驅動程序用來辨別操作的是哪個設備，用來區分同類型的設備。
linux內核中，設備號用dev_t來描述：
typedef u_long dev_t; // 在32位機中是4個字節，高12位表示主設備號，低20位表示次設備號。
內核也為我們提供了幾個方便操作的宏實現dev_t：
#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS)) // 從設備號中提取主設備號 #define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK)) // 從設備號中提取次設備號 #define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))</span> // 將主、次設備號拼湊為設備號
/* 只是拼湊設備號,並未注冊到系統中，若要使用需要競態申請 */
頭文件 linux/fs.h
a - 靜態申請設備號
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name); /* 參數： dev_t from - 要申請的設備號（起始） unsigned count - 要申請的設備號數量 const char *name - 設備名 返回值： 成功：0 失敗：負數（絕對值是錯誤碼）*/
b - 動態分配設備號
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name); /* 參數： dev_t *dev - 用於保存分配到的第一個設備號（起始） unsigned baseminor - 起始次設備號 unsigned count - 要分配設備號的數量 const char *name - 設備名 返回值： 成功：0 失敗：負數（絕對值是錯誤碼）*/
c - 釋放設備號
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count); /* 參數： dev_t from - 要釋放的第一個設備號（起始） unsigned count - 要釋放的次設備號數量 */
d、創建設備文件：
利用cat /proc/devices查看申請到的設備名，設備號。
- 使用mknod手工創建：mknod filename type major minor
- 自動創建設備節點:利用udev（mdev）來實現設備文件的自動創建，首先應保證支持udev（mdev），由busybox配置。在驅動初始化代碼里調用class_create為該設備創建一個class，再為每個設備調用device_create創建對應的設備。
詳細解析見： Linux設備文件自動生成
3、struct cdev 中的 file_operations *fops成員
Linux下一切皆是“文件”，字符設備也是這樣，file_operations結構體中的成員函數是字符設備程序設計的主題內容，這些函數實際會在用戶層程序進行Linux的open()、close()、write()、read()等系統調用時最終被調用。
標准化：如果做到極致，應用層僅僅需要一套系統調用接口函數。
"文件"的操作接口結構：
struct file_operations { struct module *owner;
/* 模塊擁有者，一般為 THIS——MODULE */ ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
/* 從設備中讀取數據，成功時返回讀取的字節數，出錯返回負值（絕對值是錯誤碼） */ ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
/* 向設備發送數據，成功時該函數返回寫入字節數。若為被實現，用戶調層用write()時系統將返回 -EINVAL*/ int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
/* 將設備內存映射內核空間進程內存中，若未實現，用戶層調用 mmap()系統將返回 -ENODEV */ long (*unlocked_ioctl)(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
/* 提供設備相關控制命令（讀寫設備參數、狀態，控制設備進行讀寫...）的實現，當調用成功時返回一個非負值 */ int (*open) (struct inode *, struct file *);
/* 打開設備 */ int (*release) (struct inode *, struct file *);
/* 關閉設備 */ int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
/* 刷新設備 */ loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
/* 用來修改文件讀寫位置，並將新位置返回，出錯時返回一個負值 */ int (*fasync) (int, struct file *, int);
/* 通知設備 FASYNC 標志發生變化 */ unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
/* POLL機制，用於詢問設備是否可以被非阻塞地立即讀寫。當詢問的條件未被觸發時，用戶空間進行select()和poll()系統調用將引起進程阻塞 */ ... };
四、簡單字符設備實例
cdev_module.c
#include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/cdev.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/errno.h> #include <asm/current.h> #include <linux/sched.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
static int major = 0;
static int minor = 0;
const int count = 3;
#define DEVNAME "demo"
static struct cdev *demop = NULL;
//打開設備
static int demo_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
//get command and pid
printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__);
//get major and minor from inode
printk(KERN_INFO "(major=%d, minor=%d), %s : %s : %d\n", imajor(inode), iminor(inode), __FILE__, __func__, __LINE__);
return 0;
}
//關閉設備
static int demo_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
//get command and pid
printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__);
//get major and minor from inode
printk(KERN_INFO "(major=%d, minor=%d), %s : %s : %d\n", imajor(inode), iminor(inode), __FILE__, __func__, __LINE__);
return 0;
}
//讀設備
static ssize_t demo_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
struct inode *inode = filp->f_path.dentry->d_inode;
//get command and pid
printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__);
//get major and minor from inode
printk(KERN_INFO "(major=%d, minor=%d), %s : %s : %d\n", imajor(inode), iminor(inode), __FILE__, __func__, __LINE__);
return 0;
}
//寫設備
static ssize_t demo_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
struct inode *inode = filp->f_path.dentry->d_inode;
//get command and pid
printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__);
//get major and minor from inode
printk(KERN_INFO "(major=%d, minor=%d), %s : %s : %d\n", imajor(inode), iminor(inode), __FILE__, __func__, __LINE__);
return 0;
}
//操作方法集
static struct file_operations fops = {
.owner = THIS_MODULE, .open = demo_open,
.release= demo_release,
.read = demo_read,
.write = demo_write,
};
//cdev設備模塊初始化
static int __init demo_init(void)
{
dev_t devnum; int ret;
//get command and pid
printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__);
//1. alloc cdev obj
demop = cdev_alloc();
if(NULL == demop) {
return -ENOMEM;
} //2. init cdev obj cdev_init(demop, &fops);
ret = alloc_chrdev_region(&devnum, minor, count, DEVNAME); if(ret){ goto ERR_STEP; } major = MAJOR(devnum); //3. register cdev obj ret = cdev_add(demop, devnum, count); if(ret){ goto ERR_STEP1; } //get command and pid printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d - ok.\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__); return 0; ERR_STEP1: unregister_chrdev_region(devnum, count); ERR_STEP: cdev_del(demop); //get command and pid printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d - fail.\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__); return ret; } static void __exit demo_exit(void) { //get command and pid printk(KERN_INFO "(%s:pid=%d), %s : %s : %d - leave.\n", current->comm, current->pid, __FILE__, __func__, __LINE__); unregister_chrdev_region(MKDEV(major, minor), count); cdev_del(demop); } module_init(demo_init); module_exit(demo_exit);
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> int main(int num, char *arg[]) { if(2 != num){ printf("Usage: %s /dev/devfile\n", arg[0]); return -1; } int fd = open(arg[1], O_RDWR); if(0 > fd){ perror("open"); return -1; } getchar(); int ret = read(fd, 0x321, 0); printf("read: ret = %d.\n", ret); getchar(); ret = write(fd, 0x123, 0); printf("write: ret = %d.\n", ret); getchar(); close(fd); return 0; }
ifneq ($(KERNELRELEASE),) obj-m = demo.o else KERNELDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build PWD := $(shell pwd) modules: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules endif clean: rm -rf .tmp_versions Module.symvers modules.order .tmp_versions .*.cmd *.o *.ko *.mod.c
編譯成功后，使用 insmod 命令加載：
然后用cat /proc/devices 查看，會發現設備號已經申請成功；