Linux字符設(shè)備架構(gòu)有哪些

本篇內(nèi)容主要講解“Linux字符設(shè)備架構(gòu)有哪些”，感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷，實用性強。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“Linux字符設(shè)備架構(gòu)有哪些”吧!

一、Linux設(shè)備分類

Linux系統(tǒng)為了管理方便，將設(shè)備分成三種基本類型：

• 字符設(shè)備

• 塊設(shè)備

• 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

字符設(shè)備：

字符(char)設(shè)備是個能夠像字節(jié)流(類似文件)一樣被訪問的設(shè)備，由字符設(shè)備驅(qū)動程序來實現(xiàn)這種特性。字符設(shè)備驅(qū)動程序通常至少要實現(xiàn)open、close、read和write的系統(tǒng)調(diào)用。

字符終端(/dev/console)和串口(/dev/ttyS0以及類似設(shè)備)就是兩個字符設(shè)備，它們能很好的說明“流”這種抽象概念。

字符設(shè)備可以通過文件節(jié)點來訪問，比如/dev/tty1和/dev/lp0等。這些設(shè)備文件和普通文件之間的唯一差別在于對普通文件的訪問可以前后移動訪問位置，而大多數(shù)字符設(shè)備是一個只能順序訪問的數(shù)據(jù)通道。然而，也存在具有數(shù)據(jù)區(qū)特性的字符設(shè)備，訪問它們時可前后移動訪問位置。例如framebuffer就是這樣的一個設(shè)備，app可以用mmap或lseek訪問抓取的整個圖像。

在/dev下執(zhí)行l(wèi)s -l ,可以看到很多創(chuàng)建好的設(shè)備節(jié)點：

字符設(shè)備文件(類型為c)，設(shè)備文件是沒有文件大小的，取而代之的是兩個號碼：主設(shè)備號5 +次設(shè)備號1 。

塊設(shè)備：

和字符設(shè)備類似，塊設(shè)備也是通過/dev目錄下的文件系統(tǒng)節(jié)點來訪問。塊設(shè)備(例如磁盤)上能夠容納filesystem。在大多數(shù)的Unix系統(tǒng)中，進行I/O操作時塊設(shè)備每次只能傳輸一個或多個完整的塊，而每塊包含512字節(jié)(或2的更高次冪字節(jié)的數(shù)據(jù))。

Linux可以讓app像字符設(shè)備一樣地讀寫塊設(shè)備，允許一次傳遞任意多字節(jié)的數(shù)據(jù)。因此，塊設(shè)備和字符設(shè)備的區(qū)別僅僅在于內(nèi)核內(nèi)部管理數(shù)據(jù)的方式，也就是內(nèi)核及驅(qū)動程序之間的軟件接口，而這些不同對用戶來講是透明的。在內(nèi)核中，和字符驅(qū)動程序相比，塊驅(qū)動程序具有完全不同的接口。

塊設(shè)備文件(類型為b)：

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：

任何網(wǎng)絡(luò)事物都需要經(jīng)過一個網(wǎng)絡(luò)接口形成，網(wǎng)絡(luò)接口是一個能夠和其他主機交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。接口通常是一個硬件設(shè)備，但也可能是個純軟件設(shè)備，比如回環(huán)(loopback)接口。

網(wǎng)絡(luò)接口由內(nèi)核中的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)驅(qū)動，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。許多網(wǎng)絡(luò)連接(尤其是使用TCP協(xié)議的連接)是面向流的，但網(wǎng)絡(luò)設(shè)備卻圍繞數(shù)據(jù)包的傳送和接收而設(shè)計。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序不需要知道各個連接的相關(guān)信息，它只要處理數(shù)據(jù)包即可。

由于不是面向流的設(shè)備，因此將網(wǎng)絡(luò)接口映射到filesystem中的節(jié)點(比如/dev/tty1)比較困難。

Unix訪問網(wǎng)絡(luò)接口的方法仍然是給它們分配一個唯一的名字(比如eth0)，但這個名字在filesystem中不存在對應(yīng)的節(jié)點。內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序間的通信，完全不同于內(nèi)核和字符以及塊驅(qū)動程序之間的通信，內(nèi)核調(diào)用一套和數(shù)據(jù)包相關(guān)的函數(shù)socket，也叫套接字。

查看網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用命令ifconfig：

二、字符設(shè)備架構(gòu)是如何實現(xiàn)的?

在Linux的世界里面一切皆文件，所有的硬件設(shè)備操作到應(yīng)用層都會被抽象成文件的操作。我們知道如果應(yīng)用層要訪問硬件設(shè)備，它必定要調(diào)用到硬件對應(yīng)的驅(qū)動程序。Linux內(nèi)核中有那么多驅(qū)動程序，應(yīng)用層怎么才能精確的調(diào)用到底層的驅(qū)動程序呢?

在這里我們字符設(shè)備為例，來看一下應(yīng)用程序是如何和底層驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來的。必須知道的基礎(chǔ)知識：

1.在Linux文件系統(tǒng)中，每個文件都用一個struct  inode結(jié)構(gòu)體來描述，這個結(jié)構(gòu)體里面記錄了這個文件的所有信息，例如：文件類型，訪問權(quán)限等。

2.在Linux操作系統(tǒng)中，每個驅(qū)動程序在應(yīng)用層的/dev目錄下都會有一個設(shè)備文件和它對應(yīng)，并且該文件會有對應(yīng)的主設(shè)備號和次設(shè)備號。

3.在Linux操作系統(tǒng)中，每個驅(qū)動程序都要分配一個主設(shè)備號，字符設(shè)備的設(shè)備號保存在struct cdev結(jié)構(gòu)體中。

struct cdev {        struct kobject kobj;        struct module *owner;        const struct file_operations *ops;//接口函數(shù)集合        struct list_head list;//內(nèi)核鏈表        dev_t dev;    //設(shè)備號        unsigned int count；//次設(shè)備號個數(shù)    };

4.在Linux操作系統(tǒng)中，每打開一次文件，Linux操作系統(tǒng)在VFS層都會分配一個struct  file結(jié)構(gòu)體來描述打開的這個文件。該結(jié)構(gòu)體用于維護文件打開權(quán)限、文件指針偏移值、私有內(nèi)存地址等信息。

注意：

常常我們認(rèn)為struct inode描述的是文件的靜態(tài)信息，即這些信息很少會改變。而struct  file描述的是動態(tài)信息，即在對文件的操作的時候，struct file里面的信息經(jīng)常會發(fā)生變化。典型的是struct  file結(jié)構(gòu)體里面的f_pos(記錄當(dāng)前文件的位移量),每次讀寫一個普通文件時f_ops的值都會發(fā)生改變。

這幾個結(jié)構(gòu)體關(guān)系如下圖所示：

通過上圖我們可以知道，如果想訪問底層設(shè)備，就必須打開對應(yīng)的設(shè)備文件。也就是在這個打開的過程中，Linux內(nèi)核將應(yīng)用層和對應(yīng)的驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來。

• 1.當(dāng)open函數(shù)打開設(shè)備文件時，可以根據(jù)設(shè)備文件對應(yīng)的struct  inode結(jié)構(gòu)體描述的信息，可以知道接下來要操作的設(shè)備類型(字符設(shè)備還是塊設(shè)備)。還會分配一個struct file結(jié)構(gòu)體。

• 2.根據(jù)struct inode結(jié)構(gòu)體里面記錄的設(shè)備號，可以找到對應(yīng)的驅(qū)動程序。這里以字符設(shè)備為例。在Linux操作系統(tǒng)中每個字符設(shè)備有一個struct  cdev結(jié)構(gòu)體。此結(jié)構(gòu)體描述了字符設(shè)備所有的信息，其中最重要一項的就是字符設(shè)備的操作函數(shù)接口。

• 3.找到struct cdev結(jié)構(gòu)體后，Linux內(nèi)核就會將struct cdev結(jié)構(gòu)體所在的內(nèi)存空間首地記錄在struct  inode結(jié)構(gòu)體的i_cdev成員中。將struct cdev結(jié)構(gòu)體的中記錄的函數(shù)操作接口地址記錄在struct file結(jié)構(gòu)體的f_op成員中。

• 4.任務(wù)完成，VFS層會給應(yīng)用層返回一個文件描述符(fd)。這個fd是和struct  file結(jié)構(gòu)體對應(yīng)的。接下來上層的應(yīng)用程序就可以通過fd來找到strut file,然后在由struct file找到操作字符設(shè)備的函數(shù)接口了。

三、字符驅(qū)動相關(guān)函數(shù)分析

/** 
 * cdev_init() - initialize a cdev structure 
 * @cdev: the structure to initialize 
 * @fops: the file_operations for this device 
 * 
 * Initializes @cdev, remembering @fops, making it ready to add to the 
 * system with cdev_add(). 
 */ 
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops) 
功能： 
  初始化cdev結(jié)構(gòu)體 
參數(shù)： 
  @cdev cdev結(jié)構(gòu)體地址 
  @fops 操作字符設(shè)備的函數(shù)接口地址 
返回值： 
  無 

/** 
 * register_chrdev_region() - register a range of device numbers 
 * @from: the first in the desired range of device numbers; must include 
 *        the major number. 
 * @count: the number of consecutive device numbers required 
 * @name: the name of the device or driver. 
 * 
 * Return value is zero on success, a negative error code on failure. 
 */                                               
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name) 
功能： 
  注冊一個范圍（)的設(shè)備號 
參數(shù)： 
  @from 設(shè)備號 
  @count 注冊的設(shè)備個數(shù) 
  @name 設(shè)備的名字 
返回值： 
  成功返回0,失敗返回錯誤碼（負(fù)數(shù)） 

/** 
 * cdev_add() - add a char device to the system 
 * @p: the cdev structure for the device 
 * @dev: the first device number for which this device is responsible 
 * @count: the number of consecutive minor numbers corresponding to this 
 *         device 
 * 
 * cdev_add() adds the device represented by @p to the system, making it 
 * live immediately.  A negative error code is returned on failure. 
 */ 
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count) 
功能： 
  添加一個字符設(shè)備到操作系統(tǒng) 
參數(shù)： 
  @p cdev結(jié)構(gòu)體地址 
  @dev 設(shè)備號 
  @count 次設(shè)備號個數(shù) 
返回值： 
  成功返回0,失敗返回錯誤碼（負(fù)數(shù)） 

/** 
 * cdev_del() - remove a cdev from the system 
 * @p: the cdev structure to be removed 
 * 
 * cdev_del() removes @p from the system, possibly freeing the structure 
 * itself. 
 */ 
void cdev_del(struct cdev *p) 
功能： 
  從系統(tǒng)中刪除一個字符設(shè)備 
參數(shù)： 
  @p cdev結(jié)構(gòu)體地址 
返回值： 
  無 

static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,           const struct file_operations *fops)  功能：   注冊或者分配設(shè)備號，并注冊fops到cdev結(jié)構(gòu)體，   如果major>0，功能為注冊該主設(shè)備號，   如果major=0，功能為動態(tài)分配主設(shè)備號。 參數(shù)：   @major : 主設(shè)備號   @name : 設(shè)備名稱，執(zhí)行 cat /proc/devices顯示的名稱   @fops  : 文件系統(tǒng)的接口指針 返回值   如果major>0   成功返回0，失敗返回負(fù)的錯誤碼   如果major=0  成功返回主設(shè)備號，失敗返回負(fù)的錯誤碼

該函數(shù)實現(xiàn)了對cdev的初始化和注冊的封裝，所以調(diào)用該函數(shù)之后就不需要自己操作cdev了。

相對的注銷函數(shù)為unregister_chrdev

static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)

四、如何編寫字符設(shè)備驅(qū)動

參考上圖，編寫字符設(shè)備驅(qū)動步驟如下：

1. 實現(xiàn)模塊加載和卸載入口函數(shù)

module_init (hello_init); module_exit (hello_exit);

2. 申請主設(shè)備號

申請主設(shè)備號 (內(nèi)核中用于區(qū)分和管理不同字符設(shè)備)

register_chrdev_region (devno, number_of_devices, "hello");

3. 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點

創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點文件 (為用戶提供一個可操作到文件接口--open()) 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點有兩種方式：手動方式創(chuàng)建，函數(shù)自動創(chuàng)建。手動創(chuàng)建：

mknod /dev/hello c 250 0

自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點

除了使用mknod命令手動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點，還可以利用linux的udev、mdev機制，而我們的ARM開發(fā)板上移植的busybox有mdev機制，那么就使用mdev機制來自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點。

在etc/init.d/rcS文件里有一句：

echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug

該名命令就是用來自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點。

udev 是一個工作在用戶空間的工具，它能根據(jù)系統(tǒng)中硬件設(shè)備的狀態(tài)動態(tài)的更新設(shè)備文件，包括設(shè)備文件的創(chuàng)建，刪除，權(quán)限等。這些文件通常都定義在/dev  目錄下，但也可以在配置文件中指定。udev 必須有內(nèi)核中的sysfs和tmpfs支持，sysfs 為udev 提供設(shè)備入口和uevent 通道，tmpfs  為udev 設(shè)備文件提供存放空間。

udev 運行在用戶模式，而非內(nèi)核中。udev  的初始化腳本在系統(tǒng)啟動時創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點，并且當(dāng)插入新設(shè)備——加入驅(qū)動模塊——在sysfs上注冊新的數(shù)據(jù)后，udev會創(chuàng)新新的設(shè)備節(jié)點。

注意，udev 是通過對內(nèi)核產(chǎn)生的設(shè)備文件修改，或增加別名的方式來達(dá)到自定義設(shè)備文件的目的。但是，udev  是用戶模式程序，其不會更改內(nèi)核行為。也就是說，內(nèi)核仍然會創(chuàng)建sda，sdb等設(shè)備文件，而udev可根據(jù)設(shè)備的唯一信息來區(qū)分不同的設(shè)備，并產(chǎn)生新的設(shè)備文件(或鏈接)。

例如：

如果驅(qū)動模塊可以將自己的設(shè)備號作為內(nèi)核參數(shù)導(dǎo)出，在sysfs文件中就有一個叫做uevent文件記錄它的值。

由上圖可知，uevent中包含了主設(shè)備號和次設(shè)備號的值以及設(shè)備名字。

在Linux應(yīng)用層啟動一個udev程序，這個程序的第一次運行的時候，會遍歷/sys目錄，尋找每個子目錄的uevent文件，從這些uevent文件中獲取創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點的信息，然后調(diào)用mknod程序在/dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點。結(jié)束之后，udev就開始等待內(nèi)核空間的event。這個設(shè)備模型的東西，我們在后面再詳細(xì)說。這里大就可以這樣理解，在Linux內(nèi)核中提供了一些函數(shù)接口，通過這些函數(shù)接口，我們可在sysfs文件系統(tǒng)中導(dǎo)出我們的設(shè)備號的值，導(dǎo)出值之后，內(nèi)核還會向應(yīng)用層上報event。此時udev就知道有活可以干了，它收到這個event后，就讀取event對應(yīng)的信息，接下來就開始創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點啦。

如何創(chuàng)建一個設(shè)備類?

第一步 ：通過宏class_create() 創(chuàng)建一個class類型的對象;

/* This is a #define to keep the compiler from merging different  * instances of the __key variable */ #define class_create(owner, name)    \ ({            \   static struct lock_class_key __key;  \   __class_create(owner, name, &__key);  \ })  參數(shù)：   @owner  THIS_MODULE   @name   類名字 返回值   可以定義一個struct class的指針變量cls接受返回值，然后通過IS_ERR(cls)判斷   是否失敗，如果成功這個宏返回0，失敗返回非9值（可以通過PTR_ERR(cls)來獲得   失敗返回的錯誤碼）

在Linux內(nèi)核中，把設(shè)備進行了分類，同一類設(shè)備可以放在同一個目錄下，該函數(shù)啟示就是創(chuàng)建了一個類，例如：

第二步：導(dǎo)出我們的設(shè)備信息到用戶空間

/**  * device_create - creates a device and registers it with sysfs  * @class: pointer to the struct class that this device should be registered to  * @parent: pointer to the parent struct device of this new device, if any  * @devt: the dev_t for the char device to be added  * @drvdata: the data to be added to the device for callbacks  * @fmt: string for the device's name  *  * This function can be used by char device classes.  A struct device  * will be created in sysfs, registered to the specified class.  *  * A "dev" file will be created, showing the dev_t for the device, if  * the dev_t is not 0,0.  * If a pointer to a parent struct device is passed in, the newly created  * struct device will be a child of that device in sysfs.  * The pointer to the struct device will be returned from the call.  * Any further sysfs files that might be required can be created using this  * pointer.  *  * Returns &struct device pointer on success, or ERR_PTR() on error.  *  * Note: the struct class passed to this function must have previously  * been created with a call to class_create().  */ struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent,            dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...)

自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點使用實例：

static struct class *cls; static struct device *test_device;    devno = MKDEV(major,minor);   cls = class_create(THIS_MODULE,"helloclass");   if(IS_ERR(cls))   {     unregister_chrdev(major,"hello");     return result;   }   test_device = device_create(cls,NULL,devno,NULL,"hellodevice");   if(IS_ERR(test_device ))   {     class_destroy(cls);     unregister_chrdev(major,"hello");     return result;   }

4 實現(xiàn)file_operations

static const struct file_operations fifo_operations = {     .owner =   THIS_MODULE,     .open =   dev_fifo_open,     .read =   dev_fifo_read,     .write =   dev_fifo_write,     .unlocked_ioctl =   dev_fifo_unlocked_ioctl, };

open、release對應(yīng)應(yīng)用層的open()、close()函數(shù)。實現(xiàn)比較簡單，

直接返回0即可。 其中read、write、unloched_ioctrl 函數(shù)的實現(xiàn)需要涉及到用戶空間 和內(nèi)存空間的數(shù)據(jù)拷貝。

在Linux操作系統(tǒng)中，用戶空間和內(nèi)核空間是相互獨立的。也就是說內(nèi)核空間是不能直接訪問用戶空間內(nèi)存地址，同理用戶空間也不能直接訪問內(nèi)核空間內(nèi)存地址。

如果想實現(xiàn)，將用戶空間的數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核空間或?qū)?nèi)核空間數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間，就必須借助內(nèi)核給我們提供的接口來完成。

1. read接口實現(xiàn)

用戶空間-->內(nèi)核空間

字符設(shè)備的write接口定義如下：

ssize_t (*write)(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos); 參數(shù)：   filp:待操作的設(shè)備文件file結(jié)構(gòu)體指針   buf:待寫入所讀取數(shù)據(jù)的用戶空間緩沖區(qū)指針   count:待讀取數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)   f_pos:待讀取數(shù)據(jù)文件位置，寫入完成后根據(jù)實際寫入字節(jié)數(shù)重新定位 返回：   成功實際寫入的字節(jié)數(shù)，失敗返回負(fù)值

如果該操作為空，將使得write系統(tǒng)調(diào)用返回負(fù)EINVAL失敗，正常返回實際寫入的字節(jié)數(shù)。

用戶空間向內(nèi)核空間拷貝數(shù)據(jù)需要使用copy_from_user函數(shù)，該函數(shù)定義在arch/arm/include/asm/uaccess.h中。

static inline int copy_from_user(void *to, const void __user volatile *from,unsigned long n) 參數(shù)：   to:目標(biāo)地址（內(nèi)核空間）   from:源地址（用戶空間）   n:將要拷貝數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù) 返回：   成功返回0，失敗返回沒有拷貝成功的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)

還可以使用get_user宏：

int get_user(data, ptr); 參數(shù)：   data:可以是字節(jié)、半字、字、雙字類型的內(nèi)核變量   ptr:用戶空間內(nèi)存指針 返回：   成功返回0，失敗返回非0

2. write接口實現(xiàn)

內(nèi)核空間-->用戶空間

字符設(shè)備的read接口定義如下：

ssize_t (*read)(struct file *filp, char __user *buf, size_t  count, lofft *f_pos); 參數(shù)：   filp: 待操作的設(shè)備文件file結(jié)構(gòu)體指針   buf:  待寫入所讀取數(shù)據(jù)的用戶空間緩沖區(qū)指針   count:待讀取數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)   f_pos:待讀取數(shù)據(jù)文件位置，讀取完成后根據(jù)實際讀取字節(jié)數(shù)重新定位   __user ：是一個空的宏，主要用來顯示的告訴程序員它修飾的指針變量存放的是用戶空間的地址。  返回值：   成功實際讀取的字節(jié)數(shù)，失敗返回負(fù)值

注意：如果該操作為空，將使得read系統(tǒng)調(diào)用返回負(fù)EINVAL失敗，正常返回實際讀取的字節(jié)數(shù)。

用戶空間從內(nèi)核空間讀取數(shù)據(jù)需要使用copy_to_user函數(shù)：

static inline int copy_to_user(void __user volatile *to, const void *from,unsigned long n) 數(shù)：  to:目標(biāo)地址（用戶空間）  from:源地址（內(nèi)核空間）  n:將要拷貝數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù) 回：  成功返回0，失敗返回沒有拷貝成功的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)

在這里插入圖片描述

還可以使用put_user宏：

int put_user(data, prt） 參數(shù)：   data:可以是字節(jié)、半字、字、雙字類型的內(nèi)核變量   ptr:用戶空間內(nèi)存指針 返回：   成功返回0， 失敗返回非0

這樣我們就可以實現(xiàn)read、write函數(shù)了，實例如下：

ssize_t hello_read (struct file *filp, char *buff,   size_t count, loff_t *offp) {   ssize_t   result = 0;    if (count   > 127)      count = 127;    if   (copy_to_user (buff, data, count))   {     result =   -EFAULT;   }   else   {     printk   (KERN_INFO "wrote %d bytes\n", count);     result =   count;   }    return   result; } ssize_t hello_write (struct file *filp,const char *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {   ssize_t ret   = 0;   //printk   (KERN_INFO "Writing %d bytes\n", count);   if (count   > 127) return -ENOMEM;    if   (copy_from_user (data, buf, count)) {     ret =   -EFAULT;   }   else {     data[count] = '\0';     printk   (KERN_INFO"Received: %s\n", data);     ret =   count;   }   return ret; }

3. unlocked_ioctl接口實現(xiàn)

(1)為什么要實現(xiàn)xxx_ioctl ?

前面我們在驅(qū)動中已經(jīng)實現(xiàn)了讀寫接口，通過這些接口我們可以完成對設(shè)備的讀寫。但是很多時候我們的應(yīng)用層工程師除了要對設(shè)備進行讀寫數(shù)據(jù)之外，還希望可以對設(shè)備進行控制。例如:針對串口設(shè)備，驅(qū)動層除了需要提供對串口的讀寫之外，還需提供對串口波特率、奇偶校驗位、終止位的設(shè)置，這些配置信息需要從應(yīng)用層傳遞一些基本數(shù)據(jù)，僅僅是數(shù)據(jù)類型不同。

通過xxx_ioctl函數(shù)接口，可以提供對設(shè)備的控制能力,增加驅(qū)動程序的靈活性。

(2)如何實現(xiàn)xxx_ioctl函數(shù)接口?

增加xxx_ioctl函數(shù)接口，應(yīng)用層可以通過ioctl系統(tǒng)調(diào)用，根據(jù)不同的命令來操作dev_fifo。

kernel 2.6.35 及之前的版本中struct file_operations 一共有3個ioctl  ：ioctl,unlocked_ioctl和compat_ioctl 現(xiàn)在只有unlocked_ioctl和compat_ioctl 了

在kernel 2.6.36 中已經(jīng)完全刪除了struct file_operations 中的ioctl  函數(shù)指針，取而代之的是unlocked_ioctl 。

· 2.6.36 之前的內(nèi)核

long (ioctl) (struct inode node ,struct file* filp, unsigned int cmd,unsigned long arg)

· 2.6.36之后的內(nèi)核

long (*unlocked_ioctl) (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)

參數(shù)cmd: 通過應(yīng)用函數(shù)ioctl傳遞下來的命令

先來看看應(yīng)用層的ioctl和驅(qū)動層的xxx_ioctl對應(yīng)關(guān)系:

<1>應(yīng)用層ioctl參數(shù)分析

int ioctl(int fd, int cmd, ...); 參數(shù)： @fd:打開設(shè)備文件的時候獲得文件描述符  @ cmd:第二個參數(shù):給驅(qū)動層傳遞的命令，需要注意的時候，驅(qū)動層的命令和應(yīng)用層的命令一定要統(tǒng)一 @第三個參數(shù): "..."在C語言中，很多時候都被理解成可變參數(shù)。 返回值        成功：0        失?。?1，同時設(shè)置errno

小貼士：

當(dāng)我們通過ioctl調(diào)用驅(qū)動層xxx_ioctl的時候，有三種情況可供選擇:  1: 不傳遞數(shù)據(jù)給xxx_ioctl  2: 傳遞數(shù)據(jù)給xxx_ioctl,希望它最終能把數(shù)據(jù)寫入設(shè)備（例如:設(shè)置串口的波特率） 3: 調(diào)用xxxx_ioctl希望獲取設(shè)備的硬件參數(shù)(例如:獲取當(dāng)前串口設(shè)備的波特率) 這三種情況中，有些時候需要傳遞數(shù)據(jù)，有些時候不需要傳遞數(shù)據(jù)。在C語言中，是 無法實現(xiàn)函數(shù)重載的。那怎么辦?用"..."來欺騙編譯器了，"..."本來的意思是傳 遞多參數(shù)。在這里的意思是帶一個參數(shù)還是不帶參數(shù)。  參數(shù)可以傳遞整型值，也可以傳遞某塊內(nèi)存的地址，內(nèi)核接口函數(shù)必須根據(jù)實際情況 提取對應(yīng)的信息。

<2>驅(qū)動層xxx_ioctl參數(shù)分析

long (*unlocked_ioctl) (struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg); 參數(shù)： @file:   vfs層為打開字符設(shè)備文件的進程創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)體，用于存放文件的動態(tài)信息  @ cmd: 用戶空間傳遞的命令，可以根據(jù)不同的命令做不同的事情 @第三個參數(shù): 用戶空間的數(shù)據(jù)，主要這個數(shù)據(jù)可能是一個地址值(用戶空間傳遞的是一個地址)，也可能是一個數(shù)值，也可能沒值 返回值        成功：0        失?。簬уe誤碼的負(fù)值

<3>如何確定cmd 的值。

該值主要用于區(qū)分命令的類型，雖然我只需要傳遞任意一個整型值即可，但是我們盡量按照內(nèi)核規(guī)范要求，充分利用這32bite的空間，如果大家都沒有規(guī)矩，又如何能成方圓?

現(xiàn)在我就來看看，在Linux 內(nèi)核中這個cmd是如何設(shè)計的吧!

具體含義如下：

由上可以一個命令由4個部分組成，每個部分需要的bite都不完全一樣，制作一個命令需要在不同的位域?qū)懖煌臄?shù)字，Linux  系統(tǒng)已經(jīng)給我們封裝好了宏，我們只需要直接調(diào)用宏來設(shè)計命令即可。

在這里插入圖片描述

通過Linux 系統(tǒng)給我們提供的宏，我們在設(shè)計命令的時候，只需要指定設(shè)備類型、命令序號，數(shù)據(jù)類型三個字段就可以了。

Linux  系統(tǒng)中已經(jīng)設(shè)計了一場用的命令，可以通過查閱Linux  源碼中的Documentation/ioctl/ioctl-number.txt文件，看哪些命令已經(jīng)被使用過了。

<4> 如何檢查命令?

可以通過宏_IOC_TYPE(nr)來判斷應(yīng)用程序傳下來的命令type是否正確;

可以通過宏_IOC_DIR(nr)來得到命令是讀還是寫，然后再通過宏access_ok(type,addr,size)來判斷用戶層傳遞的內(nèi)存地址是否合法。

使用方法如下：

if(_IOC_TYPE(cmd)!=DEV_FIFO_TYPE){    pr_err("cmd   %u,bad magic 0x%x/0x%x.\n",cmd,_IOC_TYPE(cmd),DEV_FIFO_TYPE);    return-ENOTTY;  }  if(_IOC_DIR(cmd)&_IOC_READ)    ret=!access_ok(VERIFY_WRITE,(void __user*)arg,_IOC_SIZE(cmd));  else if( _IOC_DIR(cmd)&_IOC_WRITE )    ret=!access_ok(VERIFY_READ,(void   __user*)arg,_IOC_SIZE(cmd));  if(ret){    pr_err("bad   access %ld.\n",ret);    return-EFAULT;  }

5 注冊cdev

定義好file_operations結(jié)構(gòu)體，就可以通過函數(shù)cdev_init()、cdev_add()注冊字符設(shè)備驅(qū)動了。

實例如下：

static struct cdev cdev;  cdev_init(&cdev,&hello_ops); error = cdev_add(&cdev,devno,1);

注意如果使用了函數(shù)register_chrdev(),就不用了執(zhí)行上述操作，因為該函數(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了對cdev的封裝。

五、實例

千言萬語，全部匯總在這一個圖里，大家可以對照相應(yīng)的層次來學(xué)習(xí)。

六、實例

好了，現(xiàn)在我們可以來實現(xiàn)一個完整的字符設(shè)備框架的實例，包括打開、關(guān)閉、讀寫、ioctrl、自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點等功能。

#include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/cdev.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/device.h> #include <linux/slab.h> #include <asm/uaccess.h> #include "dev_fifo_head.h"  //指定的主設(shè)備號 #define   MAJOR_NUM 250  //自己的字符設(shè)備 struct mycdev {     int len;     unsigned   char buffer[50];     struct   cdev cdev; };  MODULE_LICENSE("GPL"); //設(shè)備號 static dev_t   dev_num = {0}; //全局gcd struct mycdev *gcd; //設(shè)備類 struct class *cls; //獲得用戶傳遞的數(shù)據(jù)，根據(jù)它來決定注冊的設(shè)備個數(shù) static int ndevices = 1; module_param(ndevices, int, 0644); MODULE_PARM_DESC(ndevices, "The number of devices for register.\n");  //打開設(shè)備 static int dev_fifo_open(struct   inode *inode,   struct file *file) {     struct   mycdev *cd;        printk("dev_fifo_open   success!\n");       //用struct file的文件私有數(shù)據(jù)指針保存struct mycdev結(jié)構(gòu)體指針     cd   = container_of(inode->i_cdev,struct   mycdev,cdev);     file->private_data =   cd;       return   0; }  //讀設(shè)備 static ssize_t   dev_fifo_read(struct file *file, char   __user *ubuf,   size_t size, loff_t *ppos) {     int n;     int ret;     char   *kbuf;     struct   mycdev *mycd =   file->private_data;      printk("read *ppos :   %lld\n",*ppos);       if(*ppos == mycd->len)         return   0;      //請求大大小 > buffer剩余的字節(jié)數(shù)   :讀取實際記得字節(jié)數(shù)     if(size > mycd->len - *ppos)         n = mycd->len - *ppos;     else         n = size;      printk("n =   %d\n",n);     //從上一次文件位置指針的位置開始讀取數(shù)據(jù)     kbuf   = mycd->buffer   + *ppos;     //拷貝數(shù)據(jù)到用戶空間     ret   = copy_to_user(ubuf,kbuf, n);     if(ret != 0)         return   -EFAULT;      //更新文件位置指針的值     *ppos += n;     printk("dev_fifo_read   success!\n");     return   n; } //寫設(shè)備 static ssize_t   dev_fifo_write(struct file *file, const char __user *ubuf,size_t size, loff_t *ppos) {     int n;     int ret;     char   *kbuf;     struct   mycdev *mycd =   file->private_data;      printk("write *ppos :   %lld\n",*ppos);     //已經(jīng)到達(dá)buffer尾部了     if(*ppos == sizeof(mycd->buffer))        return   -1;     //請求大大小 > buffer剩余的字節(jié)數(shù)(有多少空間就寫多少數(shù)據(jù))     if(size > sizeof(mycd->buffer) - *ppos)         n = sizeof(mycd->buffer) - *ppos;     else         n = size;     //從上一次文件位置指針的位置開始寫入數(shù)據(jù)      kbuf   = mycd->buffer   + *ppos;     //拷貝數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間     ret   = copy_from_user(kbuf, ubuf, n);     if(ret != 0)         return   -EFAULT;      //更新文件位置指針的值     *ppos += n;     //更新dev_fifo.len     mycd->len += n;     printk("dev_fifo_write   success!\n");     return   n; }  //linux 內(nèi)核在2.6以后，已經(jīng)廢棄了ioctl函數(shù)指針結(jié)構(gòu)，取而代之的是  long   dev_fifo_unlocked_ioctl(struct file *file,   unsigned int cmd,     unsigned   long arg) {   int ret = 0;   struct mycdev *mycd   = file->private_data;    if(_IOC_TYPE(cmd)!=DEV_FIFO_TYPE){     pr_err("cmd   %u,bad magic 0x%x/0x%x.\n",cmd,_IOC_TYPE(cmd),DEV_FIFO_TYPE);     return-ENOTTY;   }   if(_IOC_DIR(cmd)&_IOC_READ)     ret=!access_ok(VERIFY_WRITE,(void __user*)arg,_IOC_SIZE(cmd));   else if( _IOC_DIR(cmd)&_IOC_WRITE )     ret=!access_ok(VERIFY_READ,(void   __user*)arg,_IOC_SIZE(cmd));   if(ret){     pr_err("bad   access %ld.\n",ret);     return-EFAULT;   }      switch(cmd)     {       case DEV_FIFO_CLEAN:          printk("CMD:CLEAN\n");       memset(mycd->buffer, 0, sizeof(mycd->buffer));          break;       case DEV_FIFO_SETVALUE:          printk("CMD:SETVALUE\n");          mycd->len = arg;          break;       case DEV_FIFO_GETVALUE:          printk("CMD:GETVALUE\n");          ret   = put_user(mycd->len, (int *)arg);          break;       default:          return   -EFAULT;     }     return   ret; }  //設(shè)備操作函數(shù)接口  static const struct file_operations fifo_operations = {     .owner =   THIS_MODULE,     .open =   dev_fifo_open,     .read =   dev_fifo_read,     .write =   dev_fifo_write,     .unlocked_ioctl =   dev_fifo_unlocked_ioctl, }; //模塊入口 int __init dev_fifo_init(void) {     int i = 0;     int n = 0;     int ret;      struct   device *device;   gcd   = kzalloc(ndevices   * sizeof(struct   mycdev), GFP_KERNEL);      if(!gcd){         return   -ENOMEM;     }      //設(shè)備號 : 主設(shè)備號(12bit) | 次設(shè)備號(20bit)     dev_num   = MKDEV(MAJOR_NUM, 0);     //靜態(tài)注冊設(shè)備號     ret   = register_chrdev_region(dev_num,ndevices,"dev_fifo");     if(ret < 0){     //靜態(tài)注冊失敗，進行動態(tài)注冊設(shè)備號      ret   =alloc_chrdev_region(&dev_num,0,ndevices,"dev_fifo");       if(ret < 0){         printk("Fail to register_chrdev_region\n");         goto   err_register_chrdev_region;       }     }     //創(chuàng)建設(shè)備類     cls   = class_create(THIS_MODULE, "dev_fifo");     if(IS_ERR(cls)){         ret   = PTR_ERR(cls);         goto   err_class_create;     }     printk("ndevices :   %d\n",ndevices);     for(n = 0;n < ndevices;n   ++)     {       //初始化字符設(shè)備       cdev_init(&gcd[n].cdev,&fifo_operations);       //添加設(shè)備到操作系統(tǒng)       ret   = cdev_add(&gcd[n].cdev,dev_num + n,1);       if (ret < 0)       {          goto   err_cdev_add;       }      //導(dǎo)出設(shè)備信息到用戶空間(/sys/class/類名/設(shè)備名)       device   = device_create(cls,NULL,dev_num +n,NULL,"dev_fifo%d",n);       if(IS_ERR(device)){          ret   = PTR_ERR(device);          printk("Fail to device_create\n");          goto   err_device_create;           }     }     printk("Register   dev_fito to system,ok!\n");     return   0; err_device_create:      //將已經(jīng)導(dǎo)出的設(shè)備信息除去     for(i = 0;i < n;i ++)     {        device_destroy(cls,dev_num + i);         } err_cdev_add:     //將已經(jīng)添加的全部除去     for(i = 0;i < n;i ++)     {        cdev_del(&gcd[i].cdev);     } err_class_create:     unregister_chrdev_region(dev_num,   ndevices); err_register_chrdev_region:     return   ret; } void __exit dev_fifo_exit(void) {     int i;     //刪除sysfs文件系統(tǒng)中的設(shè)備     for(i = 0;i < ndevices;i   ++)     {         device_destroy(cls,dev_num + i);         }     //刪除系統(tǒng)中的設(shè)備類     class_destroy(cls);     //從系統(tǒng)中刪除添加的字符設(shè)備     for(i = 0;i < ndevices;i   ++)     {        cdev_del(&gcd[i].cdev);     }      //釋放申請的設(shè)備號     unregister_chrdev_region(dev_num,   ndevices);     return; } module_init(dev_fifo_init); module_exit(dev_fifo_exit);

頭文件內(nèi)容:

dev_fifo_head.h

#ifndef _DEV_FIFO_HEAD_H #define _DEV_FIFO_HEAD_H #define DEV_FIFO_TYPE 'k' #define DEV_FIFO_CLEAN _IO(DEV_FIFO_TYPE,0x10) #define DEV_FIFO_GETVALUE _IOR(DEV_FIFO_TYPE,0x11,int) #define DEV_FIFO_SETVALUE _IOW(DEV_FIFO_TYPE,0x12,int) #endif

Makefile :

ifeq ($(KERNELRELEASE),) KERNEL_DIR ?=/lib/modules/$(shell uname -r)/build   PWD :=$(shell pwd) modules:     $(MAKE) -C $(KERNEL_DIR)   M=$(PWD) modules .PHONY:modules clean clean:     $(MAKE) -C $(KERNEL_DIR)   M=$(PWD) clean else     obj-m := dev_fifo.o   endif

應(yīng)用程序:

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <sys/types.h> #include <string.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h>  int main(int argc, const char *argv[]) {     int fd ;     int n;     char buf[1024] = "hello   word";          fd = open("/dev/dev_fifo0",O_RDWR);     if(fd < 0){         perror("Fail   ot open");         return   -1;     }     printf("open   successful ,fd = %d\n",fd);     n = write(fd,buf,strlen(buf));     if(n < 0){         perror("Fail   to write");         return   -1;     }     printf("write   %d bytes!\n",n);     n = write(fd,buf,strlen(buf));     if(n < 0){         perror("Fail   to write");         return   -1;     }     printf("write   %d bytes!\n",n);     return 0; }

測試步驟：

(1) 加載模塊

sudo insmod hello.ko

(2) 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點

sudo mknod /dev/hello c 250 0

如果代碼中增加了自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點的功能，這個步驟不要執(zhí)行。

(3) 測試字符設(shè)備

gcc test.c -o runsudo ./run

到此，相信大家對“Linux字符設(shè)備架構(gòu)有哪些”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是億速云網(wǎng)站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進入相關(guān)頻道進行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！