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一、系统工作原理

1、工作流程

系统的整体工作流程是：应用层—>API—>设备驱动—>硬件。

操作系统提供的API包括open、read、write、close等函数，它们只是一种操作逻辑，并不涉及具体的硬件操作。驱动源码提供真正的open、read、write、close等函数实体。

换个形象的说法，API就好比“吃饭”这个操作逻辑（没有说明具体怎样吃），而驱动程序详细地说明了吃饭的方式，比如用什么餐具、吃什么东西、先吃什么后吃什么等等。

2、举例说明

比如通过QQ与他人进行文件传输，则需要调用操作系统提供的与套接字有关的API，而这些API的逻辑操作最终将映射为网卡驱动中的某些具体操作函数。网卡驱动里面的具体操作函数，通过对网卡这个硬件（的寄存器）的一些设置，达到数据传输的目的。

二、注册字符设备

1、如何表示设备与驱动

（1）设备的表示方法

1）与设备有关的两个概念：设备文件、设备编号。

在Linux系统中一切皆文件，所以设备也表现为文件，这种文件叫做设备文件。设备文件的名字就是设备的名字。设备文件一般在/dev目录中。

不同的设备具有不同的设备号，以区分不同的设备。设备号由主设备号和次设备号组成，其中主设备号表示某一种类的设备，次设备号用来区分同一类型的设备。

设备文件名与设备号都是设备的象征，就好比某个同学的名字和学号都指向这个同学。

2）设备文件的创建

在/dev目录下使用ls -l查看字符设备文件（开头字母为'c'的文件），可以得知已有的设备文件的主次设备号。

xjh@ubuntu:/dev$ ls -l
总用量 0
crw-rw----  1 root video    10, 175 Jul 16 22:09 agpgart
crw-------  1 root root     10, 235 Jul 16 22:09 autofs
drwxr-xr-x  2 root root         640 Jul 16 22:09 block
drwxr-xr-x  2 root root         100 Jul 17 19:23 bsg
crw-------  1 root root     10, 234 Jul 16 22:09 btrfs-control
drwxr-xr-x  3 root root          60 Jul 16 22:09 bus
lrwxrwxrwx  1 root root           3 Jul 16 22:09 cdrom -> sr0
drwxr-xr-x  2 root root        3560 Jul 19 12:56 char
crw-------  1 root root      5,   1 Jul 16 22:09 console
lrwxrwxrwx  1 root root          11 Jul 16 22:09 core -> /proc/kcore
drwxr-xr-x  2 root root          60 Jul 16 22:09 cpu

使用cat /proc/devices可以查看内核中已经注册过的字符设备驱动和块设备驱动（见下文），然后找到一个没被占用的主设备号，使用“mknod /dev/xxx c 主设备号 次设备号”来创建设备文件，其中xxx表示设备文件名，c表示字符设备。

注意，xxx不能使用vim来打开，但可以用ls /dev/xxx -l查看。

/dev目录下的设备文件，与/poc/devices文件中的设备列表，它们之间有什么关系？proc目录是一个虚拟文件系统，可以为linux用户空间和内核空间提供交互；它只存在于内存中，而不占实际的flash或硬盘空间。/proc/devices/里的设备是加载驱动程序时生成的，而/dev/下的设备是通过创建设备节点生成的，用户通过此设备节点来访问内核里的驱动。

（2）驱动的表示方法

可以这么理解，file_operation 结构体就象征着驱动。

• 这个结构体的元素主要是函数指针，用来挂接实体函数地址。
• 每个设备驱动都需要一个该结构体类型的变量。
• 设备驱动向内核注册时，提供该结构体类型的变量。
• 该结构体的成员函数是字符设备驱动程序设计的主体内容。
• 这些函数在应用程序进行open()、read()等系统调用时被内核调用。

关于此结构体的更多解释，见博客：file_operations结构体_天糊土的博客-CSDN博客。

2、字符设备的注册：register_chrdev()函数

在没有驱动模型前（注意不是驱动框架。驱动模型是面向对象的设计，区分设备、驱动和总线；而驱动框架是指驱动的分层设计，包括核心层和具体操作层），驱动与设备的注册混为一谈，设备号和 file_opertion紧结合，一个驱动的信息包含两者。

使用硬件设备之前，需要先注册其驱动程序。驱动程序利用内核提供的注册函数，向内核注册自己。注册之后，内核可以调用此驱动程序去使用硬件。

这里说的注册函数是指：register_chrdev()函数。

static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,const struct file_operations *fops)
{return __register_chrdev(major, 0, 256, name, fops);
}

函数所在文件路径	/include/linux/fs.h
函数作用	向内核注册某设备的 file_operations
返回值	major如果设置为0，则返回自动分配的主设备号； 如果设置为指定的主设备号，成功则返回值为0，失败返回负数。
参数说明	major，表示当前设备的主设备号，范围是1~254。可以自己指定，也可以设置为0让内核自动分配。犹如学号。 name，表示当前设备的驱动名称，犹如名字。 fops，是file_operations结构体指针。
inline修饰符说明	此函数定义在头文件里面，如果被两个文件包含，就会重复定义。使用inline后，就表示函数体，而不是函数定义。

三、内核如何管理字符设备驱动

1、管理方法

内核中使用一个数组，来存储已注册的字符设备（或者说驱动，因为这里还没有驱动模型的概念）。register_chrdev函数将驱动的信息（包括设备号和 file_operations）存储在数组中相应的位置。

2、查看已注册的设备驱动

使用cat /proc/devices可以查看内核中已经注册过的字符设备驱动和块设备驱动。

从中我们看到：

（1）有很多同类设备的主设备号是相同的；

（2）有些编号默认分配给了某些设备；

（3）由于使用数组来存储的缘故，设备编号只有1~254。

xjh@ubuntu:/proc$ cat /proc/devices
Character devices:1 mem4 /dev/vc/04 tty4 ttyS5 /dev/tty5 /dev/console
//省略
253 watchdog
254 rtcBlock devices:1 ramdisk2 fd
259 blkext7 loop
//省略
254 mdp