linux驱动学习（五）之字符设备

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一、 linux设备驱动分类

1、字符设备---char

应用程序与驱动程序在进行数据传输时，数据以"字节"为单位。

特点：

[1] 按照顺序进行数据传输
[2] 数据传输是实时的，并没有缓存
[3] 字符设备是没有文件系统的

1)驱动程序的作用：是应用程序访问底层硬件设备的一座桥梁

2)应用程序如何去访问驱动程序：系统调用

   应用程序：系统IO（open、read、write、ioctl、close）

  驱动程序: 文件操作集---> struct file_operations 

3)驱动程序如何去访问底层硬件 ---> MMU

   驱动程序中的地址为虚拟地址 ----> MMU(io内存映射) ---->底层硬件的物理地址
   虚拟地址----->是通过在驱动程序中，来申请的虚拟地址

4)什么设备叫作字符设备呢？

    大多数的设备都是字符设备,比如：led, lcd, beep, 按键, SPI等

2、块设备---block

    应用程序与驱动程序在进行数据传输时，数据以"块"为单位,1block = 1024kb。

特点：

[1]有缓存

[2]有文件系统,比如:NTFS ,ext4

大容量设备都是块设备：U盘，SD卡，EMMC--电子硬盘

[root@GEC6818 /mnt]#cat /proc/partitions 
major minor  #blocks  name179        0    7634944 mmcblk0  ---->电子硬盘179        1      65536 mmcblk0p1 -----> 电子硬盘第一个分区179        2     772096 mmcblk0p2179        3     438272 mmcblk0p3179        4          1 mmcblk0p4179        5       8192 mmcblk0p5179        6      22528 mmcblk0p6179        7    6324224 mmcblk0p7//u盘
[root@GEC6818 /dev]#ls -lh sda*
brw-rw-rw-    1 root     root        8,   0 Jan  1 00:30 sda ---> 占1G
brw-rw-rw-    1 root     root        8,   1 Jan  1 00:30 sda1 ----> 31G

应用程序如何访问块设备：

第一步：挂载U盘到根文件系统上

[root@GEC6818 /]#mount -t vfat /dev/sda1 /udata

第二步：像访问普通文件一样来访问块设备的内容
   标准的IO函数

3、网络设备----socket

网卡类的设备：有线网卡、无线网卡 ...，另外，网络设备是没有设备文件的
     
应用程序：
    socket套接字：根据ip地址 + 端口号

二、字符设备驱动设计流程

以led灯为例

1、定义并初始一个字符设备(struct cdev)，在驱动程序中对设备的描述和控制：

struct cdev {struct kobject kobj;struct module *owner;const struct file_operations *ops;struct list_head list;dev_t dev;unsigned int count;
};

比如：struct cdev led_cdev;

2、根据应用程序的API来定义并且初始化字符设备的文件操作集(struct file_operations).

3、给字符设备申请一个设备号 --> 主设备号<<20 + 次设备号.

4、初始化字符设备.

5、把当前的字符设备加入到内核.

6、创建class.

7、创建设备(device)。其中，device属于class，应用程序可以通过设备文件来访问驱动程序.

8、申请物理内存区，申请SFR(Special Function Register，特殊功能寄存器)地址区，比如：GPIOEOUT，GPIOEOUTENB

9、内存的动态映射，得到物理地址的虚拟地址.

10、在驱动程序中，访问虚拟地址.

具体实现如下：

1）定义一个字符设备(struct cdev)

#include <linux/cdev.h>
struct cdev {struct kobject kobj;struct module *owner;const struct file_operations *ops;struct list_head list;dev_t dev;unsigned int count;
};关于struct cdev结构体的说明：
1)struct kobject kobj; ---->内核管理驱动时，使用的一个object对象，内核自己使用，跟驱动程序设计者无关
2)struct module *owner; ----> 模块的拥有者，当前驱动设计模块是属于谁的，固定写法：THIS_MODULE
3)const struct file_operations *ops; ---> cdev的文件操作集一般由用户或者设计者来实现static struct file_operations gec6818_led_ops;
4)struct list_head list; --->管理字符设备的链表，由内核本身去负责
5)dev_t dev; ---->设备号
6)unsigned int count; ---->字符设备的次设备号的数目

在linux内核中，使用cdev来描述字符设备，每个字符设备都有一个自己的cdev，比如:

static struct cdev gec6818_led;

2) 定义一个字符设备的文件操作集(struct file_operations)

#include <linux/fs.h>
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 (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);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 (*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 **);long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,loff_t len);
};根据文件操作集中的函数指针定义相关类型的函数：函数的格式是固定
int gec6818_led_release(struct inode *node, struct file *file)
{printk("gec6818_led_release\n");return 0;
}
static struct file_operations gec6818_led_ops = {.owner = THIS_MODULE,.open = gec6818_led_open,.write = gec6818_led_write,.release = gec6818_led_release,//当应用程序调用close时，执行驱动程序中的接口函数
};

3) 给设备申请一个设备号---dev_t

   1、什么是设备号
     每个设备文件(字符设备or块设备)都有一个设备号，相当于设备文件的ID.
     设备号由主设备和次设备号组成.  

dev_t dev; ---> 字符设备的设备号
/*
typedef __kernel_dev_t		dev_t;
typedef __u32 __kernel_dev_t; ---->无符号整型数字
*/

   2、设备号的运算函数

#define MKDEV(ma,mi)    (((ma) << MINORBITS) | (mi)) ----> 设备号
dev = MKDEV(ma,mi);  //根据主设备号与次设备号得到设备号

    3、得到主设备号与次设备号

#define MINORBITS	20
#define MINORMASK	((1U << MINORBITS) - 1)#define MAJOR(dev)	((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS)) ----> 主设备号
#define MINOR(dev)	((unsigned int) ((dev) & MINORMASK)) ----> 次设备号
unsigned int major = MAJOR(dev); //根据设备号得到主设备号
unsigned int minor = MINOR(dev); //根据设备号得到次设备号

     4、把得到的设备号注册到内核中

    一) 静态注册：由用户先确定一个设备号，通过注册函数去申请

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
参数说明：dev_t from ----> 要申请的设备号unsigned count ---> 次设备号的数目const char *name ----> 设备名字 --->字符串
返回值：成功：0失败: <0
比如：register_chrdev_region(108,4,"ttyGS");

  二) 动态注册：由内核动态分配一个设备号给现有设备

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
参数说明：dev_t *dev --->做为输出参数，通过alloc_chrdev_region得到的设备号给devunsigned baseminor -->第一个次设备号unsigned count -->次设备号数目const char *name ----> 设备名字 --->字符串
返回值：成功：0失败: <0

   5、设备号的作用
主设备号：描述一个硬件是属于哪一类的设备，比如：uart,lcd,摄像头

次设备号：描述某种类型的设备中具体的哪一个设备，比如：uart0,uart1

crw-rw----    1 root     root      247,   0 Jan  1  1970 ttyGS0
crw-rw----    1 root     root      247,   1 Jan  1  1970 ttyGS1
crw-rw----    1 root     root      247,   2 Jan  1  1970 ttyGS2
crw-rw----    1 root     root      247,   3 Jan  1  1970 ttyGS3247 ---->主设备号 ----->表示串口
0   ----->次设备号 -----> 串口1
ttyGS -----> 表示该硬件的设备文件，如果该类型的设备有多个，由从0开始，由系统自动加1

   6、释放设备号给系统

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
参数说明:dev_t from ----> 要申请的设备号unsigned count -->次设备号数目

4) 初始化字符设备

#include <linux/cdev.h>
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
参数说明：struct cdev *cdev  -----> 字符设备的结构const struct file_operations *fops ----> 字符设备对应的文件操作集

5) 把设备加入到内核中

#include <linux/cdev.h>
//把字符设备增加到系统
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
参数说明：struct cdev *cdev  -----> 字符设备的结构dev_t dev -----> 字符设备的设备号unsigned count ----> 次设备号数目
失败：返回一个负错误码//从系统中，把字符设备删除
void cdev_del(struct cdev *p)

6) 创建class，一个设备会有一个class

[root@GEC6818 /sys/class]#ls ---->查看设备的class
android_usb   graphics      leds          pvrusb2       spi_master
arvo          hwmon         lirc          pyra          spidev
axppower      i2c-adapter   mdio_bus      rc            switch
backlight     i2c-dev       mem           regulator     timed_output//创建class
#include <linux/device.h>
struct class *class_create(struct module *owner, const char *name)
参数说明：struct module *owner ----> 模块的拥有者const char *name -----> class的名字 ----> /sys/class--->查看返回值成功：&struct class pointer  ----class的地址失败：NULL//销毁class
void class_destroy(struct class *cls)

7) 创建device

//创建一个device
#include <linux/device.h>
struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...)
参数说明：struct class *class ----> 说明device是属于哪 一个class，class_create返回值struct device *parent ----> 该设备的父亲，一般设置为NULLdev_t devt -----> 增加到系统中的字符设备的设备号void *drvdata ----> 增加一个device时，返回的数值，如果不需要返回，则使用NULLconst char *fmt ----> 该设备的名字返回值：成功：struct device *失败：NULL//销毁device
void device_destroy(struct class *class, dev_t devt)

8) 申请物理内存区，申请SFR地址区

//申请物理内存区
struct resource *request_mem_region(resource_size_t start, resource_size_t n,const char *name)
参数说明：resource_size_t start -----> 虚拟内存的起始地址resource_size_t n ----> 申请虚拟内存的大小const char *name ----> 虚拟内存对应的名字返回值成功：struct resource *失败：NULL//释放物理内存区
void release_mem_region(resource_size_t start, resource_size_t n)

9) IO动态映射

//IO动态映射 ---- 根据物理地址得到虚拟的起始地址
static inline void __iomem *ioremap(phys_addr_t offset, unsigned long size)
参数说明：phys_addr_t offset ---- >物理地址的起始地址unsigned long size -----> IO映射的大小//释放IO映射
static inline void iounmap(void __iomem *addr)

10) 测试

1 插入和删除驱动
[root@GEC6818 /6818_driver]#insmod led_drv.ko 
[  173.611000] gec6818_led_init
[root@GEC6818 /6818_driver]#rmmod led_drv.ko 
[  220.248000] gec6818led_exit2 查看/dev下设备文件、主设备号、次设备
[root@GEC6818 /dev]#ls -l gec6818_led_device 
crw-rw----    1 root     root      100,   0 Jan  1 02:46 gec6818_led_device  //提供给应用程序来访问驱动程序3 查看class
[root@GEC6818 /sys/class]#ls -l gec6818_led_class/
total 0
lrwxrwxrwx    1 root     root             0 Jan  1 02:51 gec6818_led_device

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