Part3字符设备驱动框架

13.1 Linux设备分类

Linux将设备主要分为三种：字符设备（char device）、块设备（block device）和网络设备（net device）。

字符设备一般指串并行I/O设备，比如串口、USB、PCIe等。字符设备是Linux中最简单的驱动设备，可以通过文件I/O进行访问。

块设备一般指硬盘、光盘驱动器等存储设备。

网络设备主要基于BSD UNIX的socket机制，用于网络通信。

一个具体的设备可能不仅仅属于上述其中一种分类，比如网卡，它既是字符设备（因为有PCIe）又是网络设备。而RIFFA是一种PCIe框架，它仅处理PCIe业务，自然仅属于字符设备，但因为它使用了PCIe，所以也需要处理PCI设备的一些内容。

23.2 设备号

Linux中需要为每个字符设备都分配一个主设备号（major）和一个次设备号（minor）。主设备号用来标识一个驱动程序，次设备号标识一个具体的设备。例如在SPI总线上挂载了一个陀螺仪、一个OLED屏和一个ADC，这三个设备使用同一个SPI总线，那么这个SPI总线拥有一个主设备号，这三个具体的设备主设备号相同但次设备号不同。在一般的驱动开发中通常是分配主设备号，然后让次设备号为0。

Linux为设备号提供了一种宏类型dev_t，这个宏类型里包含了主、次设备号。

33.3 字符设备操作函数结构体

因为字符设备驱动在内核态运行，而用户想使用驱动需要通过系统调用陷入内核，所以字符设备驱动需要对用户暴露一些可供读写或其他操作的接口（即驱动编写者需要定义系统调用的功能）作为内核与用户应用间的桥梁。

这些系统调用就是C语言中常使用的文件I/O，即open、close、write、read、lseek这类函数，当然也可以通过标准I/O（fcopen、fclose等，标准I/O有缓存，但最终也是调用了文件I/O来陷入内核）以及内存映射（mmap函数，实现存储器到用户空间的零拷贝功能）。

总而言之，这些系统函数对于驱动来说是一副空壳，函数参数作为接口传递给用户应用，而函数内部什么都没有，是需要驱动编写者填充的，你在系统函数里写一个特定的功能，用户调用系统函数访问你的驱动时就会执行这个功能。举例如下所示：

用户应用程序使用open系统函数打开这个驱动的节点文件时，CPU就会陷入内核并将open函数所传入的形参送给驱动里的这个my_open函数的参数中。

向open一样的这些系统调用函数都需要被注册到内核中，成为这个字符设备驱动的一部分。

Linux使用了一个struct file_operations结构体来存储这些系统调用函数的首地址，结构体在/linux/fs.h中定义，如下所示：

别看这个结构体成员这么多，其实不用全部填充，你的驱动需要用到什么功能就填充对应的函数指针，比如驱动一个蜂鸣器，那么我完全用不到read这个函数，就不需要把对应read函数的函数指针传递给这个结构体中的对应成员。

这个结构体中比较常用的成员有owner、open、release、write、read和unlocked_ioctl。其中owner一般都直接填写THIS_MODULE，这是一个宏，表示struct file_operations结构体的所有者是这个驱动模块。

open函数就是打开文件、release就是close函数，关闭文件、write和read就是读写文件了，那么还有一个比较重要的系统调用，即unlocked_ioctl，因为不可能所有设备都只有读和写这两种操作，可能还需要比如弹出设备、复位等操作，那么这些操作不归类于读或写任何一种，那么在哪写才能使用呢，就是ioctl，ioctl会有一个操作类型选择的输入参数，在函数内部可以用switch语句来判断事务类型并进行相应的操作。

43.5 注册字符设备

RIFFA驱动中的字符设备注册使用的是2.6内核以前的老API register_chrdev，这种注册方式是向内核注册cdev结构体并将设备号、前面的struct file_operations结构体对象等信息填充这个结构体然后再注册给内核，这种注册方式的缺点是他不用指定次设备号，因为它会把0~255次设备号全部注册，极大浪费了次设备号，2.6内核以后的版本推荐自己填充cdev并使用register_chrdev_region函数来注册给内核，它可以自己指定分配多少次设备号。

当然RIFFA驱动里用的是老API，那么我们就讲讲这个老API的使用方法。

register_chrdev函数的定义在/linux/fs.h中，如下图所示：

参数major是要注册的主设备号、参数*name是一个字符串常量，表示这个字符设备的名称，随便定义，这个名称最终会显示在/proc/devices中、参数*fops是struct file_operations结构体对象的首地址，若函数返回负数代表注册失败，正数为注册成功。

53.6 驱动在Linux中的表现形式

驱动经过编译后会产生扩展名为".ko"的二进制文件，通过命令insmod可以将驱动动态加载到内核中或者ko文件复制到内核目录下，使用depmod和modprobe命令也可以动态加载驱动。

驱动动态加载后会在/proc/devices文件中注册该设备的主次设备号，用户就可以用设备号通过mknod命令在/dev目录下创建设备节点，以后应用程序访问该设备就只需要访问/dev目录下创建的那个文件即可。

63.7 自动创建设备节点

加载驱动模块后，需用mknod命令创建设备节点，但这样比较麻烦，调试时每次加载驱动都需要手动创建。Linux 2.6内核以后引入了设备文件管理模块udev（udev是一个用户程序），要使驱动能在加载时自动创建设备节点，需要在驱动中先调用class_create函数创建一个class，这个class挂载在sysfs上；然后调用

device_create函数，这个函数指定了上面创建的class、设备号和设备节点名称，当驱动加载时，用户空间的udev会响应device_create，去sysfs下寻找到对应的class并创建设备节点。

class_create和device_create函数定义在/linux/device.h中，原型声明如下：