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Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型之字符設(shè)備初始化
時(shí)間：2018-09-29 來源：未知
因?yàn)長inux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要依賴于struct cdev結(jié)構(gòu)，原型為：
所以我們需要對(duì)所使用到的結(jié)構(gòu)成員進(jìn)行配置，驅(qū)動(dòng)開發(fā)所使用到的結(jié)構(gòu)成員分別為：【unsigned int count;】、【dev_t dev;】、【const struct file_operations *ops;】。
開發(fā)流程如下圖：
一、字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化
1、分配設(shè)備cdev
Cdev變量的定義可以采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法進(jìn)行分配。靜態(tài)方法直接分配內(nèi)存，而動(dòng)態(tài)方法隨機(jī)分配內(nèi)存。
靜態(tài)分配cdev：
定義：struct cdev mdev;
mdev即代表相應(yīng)的字符設(shè)備空間地址。
動(dòng)態(tài)分配cdev：
定義：struct cdev *pdev = cdev_alloc();
pdev即代表對(duì)于的字符設(shè)備的空間地址。
2、初始化設(shè)備cdev
Linux內(nèi)核中，字符設(shè)備struct cdev的初始化使用cdev_init。其原型如下：
參數(shù)：
cdev：待初始化的struct cdev結(jié)構(gòu)
fops：設(shè)備對(duì)應(yīng)的操作函數(shù)集
由原型所要求的參數(shù)可知，需要初始化一個(gè)字符設(shè)備，必須根據(jù)申請(qǐng)一個(gè)struct cdev結(jié)構(gòu)的空間，然后對(duì)其成員進(jìn)行配置。即實(shí)現(xiàn)設(shè)備的操作函數(shù)集、為設(shè)備申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)（包括主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)）、指定此類型的字符設(shè)備有多少個(gè)相同設(shè)備。
3、注冊(cè)設(shè)備cdev
Linux內(nèi)核中字符設(shè)備的注冊(cè)使用cdev_add函數(shù)來進(jìn)行完成注冊(cè)。其原型如下：
其相關(guān)參數(shù)定義為：
p：待添加到內(nèi)核中的字符設(shè)備結(jié)構(gòu)，即為struct cdev。
dev：設(shè)備號(hào)
count：該類設(shè)備的設(shè)備數(shù)量，各個(gè)設(shè)備的區(qū)別體現(xiàn)為從設(shè)備號(hào)。
在開發(fā)驅(qū)動(dòng)時(shí)，當(dāng)確定了字符設(shè)備的結(jié)構(gòu)，主設(shè)備號(hào)和從設(shè)備號(hào)、設(shè)備的數(shù)量，就可以使用cdev_add函數(shù)將相應(yīng)的字符設(shè)備添加到Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)中進(jìn)行注冊(cè)。
4、硬件初始化
關(guān)于硬件的初始化就簡單了。直接根據(jù)所需要操作的字符設(shè)備，閱讀器Datasheet，然后根據(jù)Datasheet進(jìn)行硬件的配置即可。
二、設(shè)備操作和驅(qū)動(dòng)操作映射
從上圖基本可知，在用戶空間的每一種硬件設(shè)備操作函數(shù)，在內(nèi)核空間通用有一個(gè)映射操作函數(shù)實(shí)現(xiàn)。
•int (*open) (struct inode *, struct file *)：打開設(shè)備，響應(yīng)open系統(tǒng)
•int (*release) (struct inode *, struct file *)：關(guān)閉設(shè)備，響應(yīng)close系統(tǒng)調(diào)用
•loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int)：重定位讀寫指針，響應(yīng)lseek系統(tǒng)調(diào)用
•ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)：從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，響應(yīng)read系統(tǒng)調(diào)用
•ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)：向設(shè)備寫入數(shù)據(jù)，響應(yīng)write系統(tǒng)調(diào)用
從以上函數(shù)指針操作方法中可以提取出兩個(gè)重要的參數(shù)成員，即為struct file和struct inode。
【struct file】：在Linux系統(tǒng)中，每一個(gè)打開的文件，在內(nèi)核中都會(huì)對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)一個(gè)struct file結(jié)構(gòu)體，它由內(nèi)核在打開文件時(shí)創(chuàng)建，在文件關(guān)閉后釋放。
其非常重要的成員有：
loff_t f_pos /*文件讀寫指針*/
struct file_operations *f_op /*該文件所對(duì)應(yīng)的操作*/
【struct inode】：每一個(gè)存在于文件系統(tǒng)里面的文件都會(huì)關(guān)聯(lián)一個(gè)inode 結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要用來記錄文件物理上的信息。因此, 它和代表打開文件的file結(jié)構(gòu)是不同的。一個(gè)文件沒有被打開時(shí)不會(huì)關(guān)聯(lián)file結(jié)構(gòu)，但是卻會(huì)關(guān)聯(lián)一個(gè)inode 結(jié)構(gòu)。
在struct inode結(jié)構(gòu)中，dev_t i_rdev尤其重要，表示設(shè)備號(hào)。
三、struct file_operations結(jié)構(gòu)常用設(shè)備操作解析
1.open設(shè)備操作
根據(jù)原型可知，open設(shè)備函數(shù)方法是在進(jìn)行開始啟用操作設(shè)備時(shí)的初始化工作，與用戶空間的open函數(shù)對(duì)應(yīng)，通常情況下，open函數(shù)實(shí)現(xiàn)：
（1）表明次設(shè)備號(hào)
（2）啟用設(shè)備
當(dāng)然，如果在啟用設(shè)備時(shí)，不需要任何的準(zhǔn)備操作或者初始化操作，那么open函數(shù)可以為空函數(shù)，不實(shí)現(xiàn)。
2.release設(shè)備操作
release函數(shù)方法的作用正好和open函數(shù)方法的作用相反，它在設(shè)備關(guān)閉時(shí)用到，與用戶空間的close對(duì)應(yīng)。通常用來進(jìn)行關(guān)閉設(shè)備的實(shí)現(xiàn)。如果所操作的設(shè)備在關(guān)閉時(shí)不需要其他操作，那么使其為空函數(shù)即可。
3.read設(shè)備操作
read方法主要完成兩件事：
（1）訪問硬件操作，從設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)。
（2）將從設(shè)備端讀取到的數(shù)據(jù)返回給用戶空間的應(yīng)用程序read函數(shù)。
其read方法的具體原型可分析如下：
ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)
參數(shù)分析：
filp：與字符設(shè)備文件關(guān)聯(lián)的file結(jié)構(gòu)指針, 由內(nèi)核創(chuàng)建。
buff : 從設(shè)備讀取到的數(shù)據(jù)，需要保存到的位置。由read系統(tǒng)調(diào)用提供該參數(shù)。
count: 請(qǐng)求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，由read系統(tǒng)調(diào)用提供該參數(shù)。
offp: 文件的讀寫位置，由內(nèi)核從file結(jié)構(gòu)中取出后，傳遞進(jìn)來。
那么實(shí)際上在這里就存在了一個(gè)問題，從內(nèi)核空間如何將數(shù)據(jù)返回給用戶空間？？？
在Linux內(nèi)核中，為從內(nèi)核空間將數(shù)據(jù)返回到用戶空間提供了函數(shù)方法，即為：copy_to_user。其原型如下：
之所以采用copy_to_user函數(shù)的原因是，buff參數(shù)來源于用戶空間的指針，這類指針在內(nèi)核空間中不能直接被內(nèi)核代碼直接引用，所以必須采用拷貝的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。具體的操作過程如下圖表示：
4.write設(shè)備操作
write函數(shù)方法也主要完成兩件事：
（1）從應(yīng)用程序提供的地址中取出數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間。
（2）訪問硬件設(shè)備，將數(shù)據(jù)寫入到設(shè)備中。
write函數(shù)方法直接對(duì)應(yīng)于用戶空間的write函數(shù)。
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)
write函數(shù)方法的參數(shù)基本上和read函數(shù)方法類似，在此不再做解釋。
那么實(shí)際上在此也存在一個(gè)問題，如何將數(shù)據(jù)從用戶空間取出到內(nèi)核空間使用？？？
實(shí)際上Linux內(nèi)核中也提供了相應(yīng)的方法函數(shù)，將用戶空間的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核空間進(jìn)行使用，其方法為：copy_from_user。原型如下：
四、設(shè)備驅(qū)動(dòng)注銷
當(dāng)內(nèi)核中不再需要使用一個(gè)字符設(shè)備時(shí)，我們可以在內(nèi)核中將相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行卸載。那么就需要對(duì)其字符設(shè)備進(jìn)行注銷。Linux內(nèi)核中為我們提供了cdev_del函數(shù)來完成字符設(shè)備的注銷。其原型如下：
