第六章：字符設備
申請設備號---注冊設備
1、字符設備的框架：
2、結構體，struct cdev：
3、字符設備的組成：
4、例子：
5、申請和釋放設備號：
設備號和設備節點是什么關系。？
設備驅動中，很多功能是通過設備號完成的。
步驟：
構建字符設備前，應該申請設備號：所用到的函數是下面兩個：
該函數在<fs/char_dev.c>中定義
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)；
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor,unsigned count, const char *name) ；
釋放設備號，統一使用下面的函數，通常在模塊的卸載函數中會調用這個。
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
申請字符設備的設備號后，需要將字符設備注冊到系統中。這樣才能使用字符設備。
為了實現這個過程，需要先解釋cdev結構體。cdev結構體描述字符設備，該結構體是
所有字符設備的抽象，其包含了大量字符設備所共有的特性。
cdev中kobj成員，用於內核管理字符設備，驅動開發基本不用。
cdev中ops指向的file_operations結構的指針，該結構定義了操作字符設備的函數。
cdev中dev是用來存儲字符設備所申請的設備號。
cdev中count表示目前有多少個字符設備在使用改啟動程序。
cdev中list是一個雙向鏈表，用於將其他結構體鏈接成一個雙向鏈表。這種結構在linux中常用，需要掌握。
每一個字符設備在/dev目錄下都有一個設備文件，打開設備文件就相當於打開相應的字
符設備。例如應用程序打開設備文件A，那么系統會產生一個inode結點。這樣可以通過
inode結點的i_cdev字段找到cdev字符結構體。通過cdev的ops指針，就能找到設備A的
操作函數。對操作函數的講解，將放在后面的內容中。
file_operations是一個對設備進行操作的抽象結構體。Linux內核的設計非常巧妙。內
核允許為設備建立一個設備文件，對設備文件的所有操作，就相當於對設備的操作。這
樣的好處是，用戶程序可以使用訪問普通文件的方法訪問設備文件，進而訪問設備。這
樣的方法，極大地減輕了程序員的編程負擔，程序員不必去熟悉新的驅動接口，就能夠
訪問設備。
對普通文件的訪問常常使用open()、read()、write()、close()、ioctl()等方法。同
樣對設備文件的訪問，也可以使用這些方法。這些調用最終會引起對
file_operations結構體中對應函數的調用。對於程序員來說，只要為不同的設備編寫
不同的操作函數就可以了。
為了使file_operations結構體具有通用性，file_operations會不斷地擴充，現在已經非常
龐大，只需要對file_operations結構體中幾個重要的成員進行分析：
owner成員根本不是一個函數；它是一個指向擁有這個結構模塊的指針。這個成員用來
維持模塊的引用計數，當模塊還在使用時，不能用rmmod卸載模塊。幾乎所有時刻，它
被簡單初始化為 THIS_MODULE，一個在<linux/module.h>中定義的宏。
llseek()函數用來改變文件中的當前讀/寫位置，並將新位置返回。loff_t參數是一個
"long long"類型，"long long"類型即使在32位機上也是64位寬。這是為了與64位機兼
容而定的，因為64位機的文件大小完全可以突破4G。
read()函數用來從設備中獲取數據，成功時函數返回讀取的字節數，失敗時返回一個負
的錯誤碼。
write()函數用來寫數據到設備中。成功時該函數返回寫入的字節數，失敗時返回一個
負的錯誤碼。
ioctl()函數提供了一種執行設備特定命令的方法。例如使設備復位，這既不是讀操作
也不是寫操作，不適合用read()和write()方法來實現。如果在應用程序中給ioctl傳入
沒有定義的命令，那么將返回-ENOTTY的錯誤，表示該設備不支持這個命令。
open()函數用來打開一個設備，在該函數中可以對設備進行初始化。如果這個函數被復
制NULL，那么設備打開永遠成功，並不會對設備產生影響。
release()函數用來釋放open()函數中申請的資源，將在文件引用計數為0時，被系統調
用。其對應應用程序的close()方法，但並不是每一次調用close()方法，都會觸發
release()函數，在對設備文件的所有打開都釋放后，才會被調用。
一般來說，驅動開發人員會將特定設備的特定數據放到cdev結構體后，組成一個新的結
構體。如圖6.3所示，"自定義字符設備"中就包含特定設備的數據。該"自定義設備"中
有一個cdev結構體。cdev結構體中有一個指向file_operations的指針。這里
，file_operations中的函數就可以用來操作硬件，或者"自定義字符設備"中的其他數
據，從而起到控制設備的作用。
inode結構體 【這個可以理解為設備節點？】
內核使用inode結構在系統內部表示文件。inode一般作為file_operations結構中函數的參
數傳遞過來。例如，open()函數將傳遞一個inode指針進來，表示目前打開的文件結點
。需要注意的是，inode的成員已經被系統賦予了合適的值，驅動程序只需要使用該結
點中的信息，而不用更改。Oepn()函數為：int (*open) (struct inode *, struct file *);
inode結構中包含大量的有關文件的信息。這里，只對編寫驅動程序有用的字段進行介
紹，對於該結構更多的信息，可以參看內核源碼。
dev_t i_rdev，表示設備文件對應的設備號。
struct list_head i_devices，如圖6.2所示，該成員使設備文件連接到對應的cdev結
構，從而對應到自己的驅動程序。
struct cdev *i_cdev，如圖6.2所示，該成員也指向cdev設備。
除了從dev_t得到主設備號和次設備號外，這里還可以使用imajor()和iminor()函數從
i_rdev中得到主設備號和次設備號。
在Linux系統中，字符設備驅動程序由以下幾個部分組成。
字符設備加載和卸載函數
在字符設備的加載函數中，應該實現字符設備號的申請和cdev的注冊。相反，在字符設
備的卸載函數中應該實現字符設備號的釋放和cdev的注銷。
cdev是內核開發者對字符設備的一個抽象。除了cdev中的信息外，特定的字符設備還需
要特定的信息，常常將特定的信息放在cdev之后，形成一個設備結構體，如代碼中的
xxx_dev。
file_operations結構體和其成員函數
驅動程序與應用程序的數據交換
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cdev結構體，申請和釋放設備號，以及填
充file_operation結構體中操作函數，並實現file_operations結構體中的read()、
write()、ioctl()等重要函數。如圖6.4所示為cdev結構體、file_operations和用戶空
間調用驅動的關系。