字符设备驱动(二)

  上一篇讲了应用层的程序，接下来我们继续往下走。
先来看看从应用层到驱动的调用过程。open会最终执行sys_open函数.
sys_open -> do_sys_open -> do_filp_open ->do_last-> nameidata_to_filp -> __dentry_open-> open = f->f_op->open(即调用chrdev_open)-> filp->f_op->open(inode,filp)(即为真正的file_operations中的open函数).
  简化一下就是上层open —-> 调用驱动层的file_operations中的open。每个应用层到了驱动都会有对应的驱动层的函数相对应。如果我们想写驱动那么完成对应的open、write等驱动函数就可以了。
  我们再总体简述一下字符设备、字符驱动和用户访问之间的关系。在Linux内核中使用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VFS的接口函数，如常见的open()、read()、write()等。在Linux字符设备驱动中，模块加载函数通过register_chrdev_region( ) 或alloc_chrdev_region( )来静态或者动态获取设备号，通过cdev_init( )建立cdev与file_operations之间的连接，通过cdev_add( )向系统添加一个cdev以完成注册。模块卸载函数通过cdev_del( )来注销cdev，通过unregister_chrdev_region( )来释放设备号。用户空间访问该设备的程序通过Linux系统调用，如open( )、read( )、write( )，来“调用”file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数。
  写字符驱动程序其实有点像是完型填空，即使你对linux不了解，按照一定的套路，也是可以写出一个字符设备驱动的。
  说了这么多不如来张图此图的地址来源http://www.cnblogs.com/chen-farsight/p/6177870.html

  看了上图，结合文字，我觉的应该可以对字符设备有个大体的认识了吧。接下来我们就介绍一些字符设备需要用到的一些结构体，写驱动就是填充这些结构体，我们先把几个重要的结构体列出来，逐个分析。struct cdev和file_operations

/*  
*内核源码位置  
*linux2.6.38/include/linux/cdev.h  
*/  
struct cdev {  
    struct kobject kobj;  
    struct module *owner;   //一般初始化为：THIS_MODULE  
    const struct file_operations *ops;  //字符设备用到的例外一个重要的结构体     file_operations，cdev初始化时与之绑定  
    struct list_head list;  
    dev_t dev;  //主设备号24位 与次设备号8位，dev_t为32位整形  
    unsigned int count;  
}; 

  使用cdev去描述一个字符设备。cdev结构体中dev_t定义了设备号，为32位，12位位主设备，20位为次设备。我们可以使用以下宏，通过dev_t获取主次设备。
#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS)) //获得主设备号
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK)) //获得此设备号
利用下面的宏通过主次设备号生成dev_t;
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi)) //由主次设备号得到设备号

  另一个重要成员struct file_operations。这个结构体是程序设计的主题，里面包含的成员很多，我就不一一的进行讲解了，我们就先列出几个常用的。
来源：http://www.cnblogs.com/geneil/archive/2011/12/03/2272869.html

struct file_operations ***_ops={
 .owner =  THIS_MODULE,
 .llseek =  ***_llseek,
 .read =  ***_read,
 .write =  ***_write,
 .ioctl =  ***_ioctl,
 .open =  ***_open,
 .release = ***_release, 
....................
};

struct module *owner;
 /*第一个 file_operations 成员根本不是一个操作; 它是一个指向拥有这个结构的模块的指针.
 这个成员用来在它的操作还在被使用时阻止模块被卸载. 几乎所有时间中, 它被简单初始化为 
THIS_MODULE, 一个在 <linux/module.h> 中定义的宏.这个宏比较复杂，在进行简单学习操作的时候，一般初始化为THIS_MODULE。*/
loff_t (*llseek) (struct file * filp , loff_t  p,  int  orig);
/*(指针参数filp为进行读取信息的目标文件结构体指针；参数 p 为文件定位的目标偏移量；参数orig为对文件定位
的起始地址，这个值可以为文件开头（SEEK_SET，0,当前位置(SEEK_CUR,1)，文件末尾(SEEK_END,2)）
llseek 方法用作改变文件中的当前读/写位置, 并且新位置作为(正的)返回值.
loff_t 参数是一个"long offset", 并且就算在 32位平台上也至少 64 位宽. 错误由一个负返回值指示.
如果这个函数指针是 NULL, seek 调用会以潜在地无法预知的方式修改 file 结构中的位置计数器( 在"file 结构" 一节中描述).*/

ssize_t (*read) (struct file * filp, char __user * buffer, size_t    size , loff_t *  p);
/*(指针参数 filp 为进行读取信息的目标文件，指针参数buffer 为对应放置信息的缓冲区（即用户空间内存地址），
参数size为要读取的信息长度，参数 p 为读的位置相对于文件开头的偏移，在读取信息后，这个指针一般都会移动，移动的值为要读取信息的长度值）
这个函数用来从设备中获取数据. 在这个位置的一个空指针导致 read 系统调用以 -EINVAL("Invalid argument") 失败.
 一个非负返回值代表了成功读取的字节数( 返回值是一个 "signed size" 类型, 常常是目标平台本地的整数类型).*/

ssize_t (*aio_read)(struct kiocb *  , char __user *  buffer, size_t  size ,  loff_t   p);
/*可以看出，这个函数的第一、三个参数和本结构体中的read()函数的第一、三个参数是不同 的，
异步读写的第三个参数直接传递值，而同步读写的第三个参数传递的是指针，因为AIO从来不需要改变文件的位置。
异步读写的第一个参数为指向kiocb结构体的指针，而同步读写的第一参数为指向file结构体的指针，每一个I/O请求都对应一个kiocb结构体);
初始化一个异步读 -- 可能在函数返回前不结束的读操作.如果这个方法是 NULL, 所有的操作会由 read 代替进行(同步地).
(有关linux异步I/O，可以参考有关的资料，《linux设备驱动开发详解》中给出了详细的解答)*/

ssize_t (*write) (struct file *  filp, const char __user *   buffer, size_t  count, loff_t * ppos);
/*(参数filp为目标文件结构体指针，buffer为要写入文件的信息缓冲区，count为要写入信息的长度，
ppos为当前的偏移位置，这个值通常是用来判断写文件是否越界）
发送数据给设备. 如果 NULL, -EINVAL 返回给调用 write 系统调用的程序. 如果非负, 返回值代表成功写的字节数.
(注：这个操作和上面的对文件进行读的操作均为阻塞操作）*/

unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
/*(这是一个设备驱动中的轮询函数，第一个参数为file结构指针，第二个为轮询表指针）
这个函数返回设备资源的可获取状态，即POLLIN，POLLOUT，POLLPRI，POLLERR，POLLNVAL等宏的位“或”结果。
每个宏都表明设备的一种状态，如：POLLIN（定义为0x0001）意味着设备可以无阻塞的读，POLLOUT（定义为0x0004）意味着设备可以无阻塞的写。
(poll 方法是 3 个系统调用的后端: poll, epoll, 和 select, 都用作查询对一个或多个文件描述符的读或写是否会阻塞.
 poll 方法应当返回一个位掩码指示是否非阻塞的读或写是可能的, 并且, 可能地, 提供给内核信息用来使调用进程睡眠直到 I/O 变为可能. 
如果一个驱动的 poll 方法为 NULL, 设备假定为不阻塞地可读可写.
(这里通常将设备看作一个文件进行相关的操作，而轮询操作的取值直接关系到设备的响应情况，可以是阻塞操作结果，同时也可以是非阻塞操作结果）*/

int (*ioctl) (struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
/*(inode 和 filp 指针是对应应用程序传递的文件描述符 fd 的值, 和传递给 open 方法的相同参数.
cmd 参数从用户那里不改变地传下来, 并且可选的参数 arg 参数以一个 unsigned long 的形式传递, 不管它是否由用户给定为一个整数或一个指针.
如果调用程序不传递第 3 个参数, 被驱动操作收到的 arg 值是无定义的.
因为类型检查在这个额外参数上被关闭, 编译器不能警告你如果一个无效的参数被传递给 ioctl, 并且任何关联的错误将难以查找.）
ioctl 系统调用提供了发出设备特定命令的方法(例如格式化软盘的一个磁道, 这不是读也不是写). 另外, 几个 ioctl 命令被内核识别而不必引用 fops 表.
 如果设备不提供 ioctl 方法, 对于任何未事先定义的请求(-ENOTTY, "设备无这样的 ioctl"), 系统调用返回一个错误.*/

int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
/*mmap 用来请求将设备内存映射到进程的地址空间. 如果这个方法是 NULL, mmap 系统调用返回 -ENODEV.
(如果想对这个函数有个彻底的了解，那么请看有关“进程地址空间”介绍的书籍)*/

int (*open) (struct inode * inode , struct file *  filp ) ;
/*(inode 为文件节点,这个节点只有一个，无论用户打开多少个文件，都只是对应着一个inode结构；
但是filp就不同，只要打开一个文件，就对应着一个file结构体，file结构体通常用来追踪文件在运行时的状态信息）
 尽管这常常是对设备文件进行的第一个操作, 不要求驱动声明一个对应的方法. 如果这个项是 NULL, 设备打开一直成功, 但是你的驱动不会得到通知.
与open()函数对应的是release()函数。*/

  好了先消化一下，下篇开始介绍一些接口函数和字符驱动的模板，以后看懂了向里面填写就好了。