Linux字符設備驅動模型之字符設備初始化
時間：2018-09-29 來源：未知
因為Linux字符設備驅動主要依賴于struct cdev結構，原型為：
所以我們需要對所使用到的結構成員進行配置，驅動開發所使用到的結構成員分別為：【unsigned int count;】、【dev_t dev;】、【const struct file_operations *ops;】。
開發流程如下圖：
一、字符設備驅動初始化
1、分配設備cdev
Cdev變量的定義可以采用靜態和動態兩種方法進行分配。靜態方法直接分配內存，而動態方法隨機分配內存。
靜態分配cdev：
定義：struct cdev mdev;
mdev即代表相應的字符設備空間地址。
動態分配cdev：
定義：struct cdev *pdev = cdev_alloc();
pdev即代表對于的字符設備的空間地址。
2、初始化設備cdev
Linux內核中，字符設備struct cdev的初始化使用cdev_init。其原型如下：
參數：
cdev：待初始化的struct cdev結構
fops：設備對應的操作函數集
由原型所要求的參數可知，需要初始化一個字符設備，必須根據申請一個struct cdev結構的空間，然后對其成員進行配置。即實現設備的操作函數集、為設備申請設備號（包括主設備號和次設備號）、指定此類型的字符設備有多少個相同設備。
3、注冊設備cdev
Linux內核中字符設備的注冊使用cdev_add函數來進行完成注冊。其原型如下：
其相關參數定義為：
p：待添加到內核中的字符設備結構，即為struct cdev。
dev：設備號
count：該類設備的設備數量，各個設備的區別體現為從設備號。
在開發驅動時，當確定了字符設備的結構，主設備號和從設備號、設備的數量，就可以使用cdev_add函數將相應的字符設備添加到Linux內核驅動中進行注冊。
4、硬件初始化
關于硬件的初始化就簡單了。直接根據所需要操作的字符設備，閱讀器Datasheet，然后根據Datasheet進行硬件的配置即可。
二、設備操作和驅動操作映射
從上圖基本可知，在用戶空間的每一種硬件設備操作函數，在內核空間通用有一個映射操作函數實現。
•int (*open) (struct inode *, struct file *)：打開設備，響應open系統
•int (*release) (struct inode *, struct file *)：關閉設備，響應close系統調用
•loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int)：重定位讀寫指針，響應lseek系統調用
•ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *)：從設備讀取數據，響應read系統調用
•ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)：向設備寫入數據，響應write系統調用
從以上函數指針操作方法中可以提取出兩個重要的參數成員，即為struct file和struct inode。
【struct file】：在Linux系統中，每一個打開的文件，在內核中都會對應的關聯一個struct file結構體，它由內核在打開文件時創建，在文件關閉后釋放。
其非常重要的成員有：
loff_t f_pos /*文件讀寫指針*/
struct file_operations *f_op /*該文件所對應的操作*/
【struct inode】：每一個存在于文件系統里面的文件都會關聯一個inode 結構，該結構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結構是不同的。一個文件沒有被打開時不會關聯file結構，但是卻會關聯一個inode 結構。
在struct inode結構中，dev_t i_rdev尤其重要，表示設備號。
三、struct file_operations結構常用設備操作解析
1.open設備操作
根據原型可知，open設備函數方法是在進行開始啟用操作設備時的初始化工作，與用戶空間的open函數對應，通常情況下，open函數實現：
（1）表明次設備號
（2）啟用設備
當然，如果在啟用設備時，不需要任何的準備操作或者初始化操作，那么open函數可以為空函數，不實現。
2.release設備操作
release函數方法的作用正好和open函數方法的作用相反，它在設備關閉時用到，與用戶空間的close對應。通常用來進行關閉設備的實現。如果所操作的設備在關閉時不需要其他操作，那么使其為空函數即可。
3.read設備操作
read方法主要完成兩件事：
（1）訪問硬件操作，從設備中讀取數據。
（2）將從設備端讀取到的數據返回給用戶空間的應用程序read函數。
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)
參數分析：
filp：與字符設備文件關聯的file結構指針, 由內核創建。
buff : 從設備讀取到的數據，需要保存到的位置。由read系統調用提供該參數。
count: 請求傳輸的數據量，由read系統調用提供該參數。
offp: 文件的讀寫位置，由內核從file結構中取出后，傳遞進來。
那么實際上在這里就存在了一個問題，從內核空間如何將數據返回給用戶空間？？？
在Linux內核中，為從內核空間將數據返回到用戶空間提供了函數方法，即為：copy_to_user。其原型如下：
之所以采用copy_to_user函數的原因是，buff參數來源于用戶空間的指針，這類指針在內核空間中不能直接被內核代碼直接引用，所以必須采用拷貝的方式進行數據的傳遞。具體的操作過程如下圖表示：
4.write設備操作
write函數方法也主要完成兩件事：
（1）從應用程序提供的地址中取出數據到內核空間。
（2）訪問硬件設備，將數據寫入到設備中。
write函數方法直接對應于用戶空間的write函數。
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *)
write函數方法的參數基本上和read函數方法類似，在此不再做解釋。
那么實際上在此也存在一個問題，如何將數據從用戶空間取出到內核空間使用？？？
實際上Linux內核中也提供了相應的方法函數，將用戶空間的數據拷貝到內核空間進行使用，其方法為：copy_from_user。原型如下：
四、設備驅動注銷
當內核中不再需要使用一個字符設備時，我們可以在內核中將相應的設備驅動程序進行卸載。那么就需要對其字符設備進行注銷。Linux內核中為我們提供了cdev_del函數來完成字符設備的注銷。其原型如下：
