原标题：蜕变成蝶:Linux设备驱动之字符设备驱动
四、字符设备驱动程序基础:
4.1 cdev结构体
在Linux2.6 内核中，使用cdev结构体来描述一个字符设备，cdev结构体的定义如下：
struct cdev { struct kobject kobj; struct module *owner; struct file_operations *ops; struct list_head list; dev_t dev; unsigned int count; }；
cdev 结构体的dev_t 成员定义了设备号，为32位，其中12位是主设备号，20位是次设备号，我们只需使用二个简单的宏就可以从dev_t 中获取主设备号和次设备号：
MAJOR(dev_t dev)
MINOR(dev_t dev)
相反地，可以通过主次设备号来生成dev_t：
MKDEV(int major,int minor)
4.2 Linux 2.6内核提供一组函数用于操作cdev 结构体：
1：void cdev_init(struct cdev*,struct file_operations *); 2：struct cdev *cdev_alloc(void); 3：int cdev_add(struct cdev *,dev_t,unsigned); 4：void cdev_del(struct cdev *);
其中(1)用于初始化cdev结构体，并建立cdev与file_operations 之间的连接。(2)用于动态分配一个cdev结构，(3)向内核注册一个cdev结构，(4)向内核注销一个cdev结构
4.3 Linux 2.6内核分配和释放设备号
在调用cdev_add()函数向系统注册字符设备之前，首先应向系统申请设备号，有二种方法申请设备号，一种是静态申请设备号：
5：int register_chrdev_region(dev_t from,unsigned count,const char *name)
另一种是动态申请设备号：
6：int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned baseminor,unsigned count,const char *name);
其中，静态申请是已知起始设备号的情况，如先使用cat /proc/devices 命令查得哪个设备号未事先使用(不推荐使用静态申请)；动态申请是由系统自动分配，只需设置major = 0即可。
相反地，在调用cdev_del()函数从系统中注销字符设备之后，应该向系统申请释放原先申请的设备号，使用：
7：void unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count);
4.4 cdev结构的file_operations结构体
这个结构体是字符设备当中最重要的结构体之一，file_operations 结构体中的成员函数指针是字符设备驱动程序设计的主体内容，这些函数实际上在应用程序进行Linux 的 open()、read()、write()、close()、seek()、ioctl()等系统调用时最终被调用。
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 *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); 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 *, struct dentry *, 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 **); };
4.5 file结构
file 结构代表一个打开的文件，它的特点是一个文件可以对应多个file结构。它由内核再open时创建，并传递给在该文件上操作的所有函数，直到最后close函数，在文件的所有实例都被关闭之后，内核才释放这个数据结构。
在内核源代码中，指向 struct file 的指针通常比称为filp，file结构有以下几个重要的成员：
struct file{ mode_t fmode; ...... loff_t f_pos; unsigned int f_flags; struct file_operations *f_op; void *private_data; ....... };
4.6 inode 结构
内核用inode 结构在内部表示文件，它是实实在在的表示物理硬件上的某一个文件，且一个文件仅有一个inode与之对应，同样它有二个比较重要的成员：
struct inode{ dev_t i_rdev; struct cdev *i_cdev; }; 可以从inode中获取主次设备号，使用下面二个宏： unsigned int imajor(struct inode *inode); unsigned int iminor(struct inode *inode);
4.7字符设备驱动模块加载与卸载函数
在字符设备驱动模块加载函数中应该实现设备号的申请和cdev 结构的注册，而在卸载函数中应该实现设备号的释放与cdev结构的注销。
我们一般习惯将cdev内嵌到另外一个设备相关的结构体里面，该设备包含所涉及的cdev、私有数据及信号量等等信息。常见的设备结构体、模块加载函数、模块卸载函数形式如下：
struct xxx_dev{ struct cdev cdev; char *data; struct semaphore sem; ...... }; static int __init xxx_init(void) { ....... 初始化cdev结构; 申请设备号； 注册设备号； 申请分配设备结构体的内存； } static void __exit xxx_exit(void) { ....... 释放原先申请的设备号； 释放原先申请的内存； 注销cdev设备； }
4.8字符设备驱动的 file_operations 结构体重成员函数
ssize_t xxx_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { ...... 使用filp->private_data获取设备结构体指针； 分析和获取有效的长度； copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long count); ...... } ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { ...... 使用filp->private_data获取设备结构体指针； 分析和获取有效的长度； copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count); ...... } static int xxx_ioctl(struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg) { ...... switch(cmd){ case xxx_CMD1: ...... break; case xxx_CMD2: ....... break; default: return -ENOTTY; } return 0; }
4.9、字符设备驱动文件操作结构体模板
struct file_operations xxx_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = xxx_open, .read = xxx_read, .write = xxx_write, .close = xxx_release, .ioctl = xxx_ioctl, .lseek = xxx_llseek, }; 上面的写法需要注意二点，一：结构体成员之间是以逗号分开的而不是分号，结构体字段结束时最后应加上分号。
五、字符设备驱动小结：
字符设备是3大类设备(字符设备、块设备、网络设备)中较简单的一类设备，其驱动程序中完成的主要工作是初始化、添加和删除cdev结构体，申请和释放设备号，以及填充file_operation结构体中操作函数，并实现file_operations结构体中的read()、write()、ioctl()等重要函数。如图所示为cdev结构体、file_operations和用户空间调用驱动的关系。
责任编辑：