3.1【Linux驱动基础之一】：字符设备驱动知识点

文章目录

• 一、字符设备驱动概念
• 二、驱动工作模式层级流程图
• 三、设备驱动基础知识点
• 四、设备驱动基础知识点思维导图

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一、字符设备驱动概念

字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的串口、SPI、LCD、键盘等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。

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二、驱动工作模式层级流程图

Linux驱动：应用层到驱动调用流程

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三、设备驱动基础知识点

3.1 【设备】和【驱动】

Linux学习中，会碰到两个概念【device 】和【driver】。

【device 】：表示设备，按照个人理解指的是硬件板卡芯片对应的所有外设，如GPIO、串口、spi、磁盘等等。

【driver】：表示驱动，按照个人理解，驱动就是让【device(设备，即各种外设)】能够正常工作的文件。

所以，驱动开发的过程就是：程序员撰写驱动代码（driver），使硬件外设设备（device）正常启动，正常工作。

3.2 【设备名】和【设备号】

Linux中，所有的【设备】都有自己的【设备名】和【设备号】。

【设备名】 是指：一个代表该设备的字符串名称，方便开发人员识别。

【设备号】 是指：一个代表该设备的数字序号，计算机是通过该数字序号来识别是哪个设备。

备注：

设备名与设备号信息在在文件 /proc/devices 中保存。

输入命令“cat /proc/devices”可以查看当前硬件外设的设备信息，包括设备名、设备号。

设备号数据类型为：dev_t，原型是一个32位无符号整形类型（unsigned int ）。

定义位置在：include/linux/types.h 中

3.3 【主设备号】和【次设备号】

dev_t原型是一个32位无符号整形类型的值（unsigned int ），其中高12位表示主设备号，低20位表示次设备号，如下图。

备注：因为主设备号总共占12bit，所以范围为0 ~ 2^12，即：0~4095

图：【设备号、主设备号、次设备号】结构

设备号、主设备号、次设备号操作宏

合成设备号：MKDEV(ma,mi)       /* 已经知道主设备号ma和次设备号mi，使用该宏可以合成为完成的设备号 */
主设备号：MAJOR(xxx.devid)
次设备号：MINOR(xxx.devid)

3.4 【file_operations结构体】：设备操作函数集合

驱动中实现对设备操作的具体函数，基本全都以函数指针的形式，在内核中的file_operations这个结构体中定义好了。

当我们需要什么功能或者说需要对外设进行什么操作，只需要实现具体对应的函数内容即可。

file_operations结构体在内核源码的【include/linux/fs.h】文件中定义。

结构体原型如下：

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 *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
    ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
    int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
    int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
    int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
    int (*fasync) (int, struct file *, int);
    int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
    unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
    int (*check_flags)(int);
    int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
    ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
    int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
    long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset, loff_t len);
    void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMU
    unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
};

3.5 【cdev结构体】：字符设备描述结构体

Linux中，使用cdev结构体描述一个字符设备。

cdev结构体在内核源码的【include/linux/cdev.h】文件中定义。

cdev结构体原型如下：

struct cdev { 
	struct kobject kobj;                  //内嵌的内核对象.
	struct module *owner;                 //该字符设备所在的内核模块的对象指针.
	const struct file_operations *ops;    //该结构描述了字符设备所能实现的方法，是极为关键的一个结构体.
	struct list_head list;                //用来将已经向内核注册的所有字符设备形成链表.
	dev_t dev;                            //字符设备的设备号，由主设备号和次设备号构成.
	unsigned int count;                   //隶属于同一主设备号的次设备号的个数.
}

内核提供cdev使用的函数有如下几个：(具体含义此处不进行详述)

void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *); 
struct cdev *cdev_alloc(void);
void cdev_put(struct cdev *p);
int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
void cdev_del(struct cdev *); 
void cd_forget(struct inode *);

3.6 【文件私有数据结构体】： 该结构体由用户自定义实现代码封装

备注：该结构体非内核中定义好的结构体，而是为了保持代码整洁，设置设备文件私有属性时候自定义的结构体。内容可以根据实际业务场景随时进行增减。

此处给一示例如下：

/* 抽象设备结构体 */
typedef struct {
    dev_t devid;            /* 设备号 */
    int major;              /* 主设备号 */
    int minor;              /* 次设备号 */
    struct cdev cdev;       /* cdev */
    struct class *class;    /* 类 */
    struct device *device;  /* 设备 */
} led_device_struct;
led_device_struct led; /* 实例化设备 */

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四、设备驱动基础知识点思维导图

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