Linux设备驱动学习（4）-字符设备驱动

本篇文章记录的是我阅读《Essential Linux Device Drivers》-字符设备驱动的阅读笔记和思考纪录。

顺序存取设备数据。字符设备驱动驱动程序能从打印机、鼠标、看门狗、磁带、内存、实时时钟等几类设备获取原始数据，但它不适合管理硬盘、软盘和光盘等可随机访问的块设备中的数据。

从程序结构的角度看，字符设备驱动程序包括如下内容：

（2）入口函数集，如open()、read()，这些函数对应相应的I/O系统调用，由用户程序通过对应的/dev、节点调用。

（3）中断例程、底半部例程、定时器处理例程、内核辅助线程以及其他组成部分。

从数据流的角度看，包括如下关键的数据结构：

（3）struct file_operations

驱动程序初始化，init()函数是注册机制的基础。它负责完成如下工作：

（1）申请分配主设备号，alloc_chrdev_region();

（2）为特定设备相关的数据结构分配内存,file_operation

（3）将入口函数（open()、read()等）与字符驱动程序的cdev抽象相关联

（4）将主设备号与驱动程序的cdev相关联,cdev_init(),cdev_add()

（5）在/dev和/sys下创建节点,class_create(),device_create()，（这两个函数用于自动创建设备结点）

打开与释放，当应用程序打开设备节点时，内核调用相应驱动程序的open()函数，关闭时，内核调用release()函数。

数据交换，read()和write()负责在用户空间和设备之间交换数据的主要驱动函数。但是，不能从内核中直接访问用户空间的缓冲区，反之亦然。将数据复制到用户空间，调用copy_to_user()。调用copy_from_user()完成相反的工作。由于这两个函数可能会睡眠，所以在调用这两个函数的时候不能持有自旋锁。

如果一个字符驱动程序的write()成功返回，就表示驱动程序已经完成了将数据传送下去的任务。但这并不能保证数据已经成功地写到了设备中。可以调用fsync()函数，确保数据从驱动程序缓冲区中排出，并且写到设备。

如果用户程序有数据存储在多个缓冲区中并需要发送至设备，可以使用向量驱动函数aio_read()/aio_write()。

另一个数据访问函数是mmap()，他将设备内存和用户的虚拟内存关联在一起。

宏likely()和unlikely()负责将相关条件为真/假的可能性报告给GCC。GCC根据这一信息决定要执行的代码分支。

查找，内核使用内部指针跟踪当前文件访问的位置。应用程序使用lseek()系统调用去申请内部文件指针的重定位。字符驱动程序相对应的是llseek()函数。

控制，常见的字符驱动程序函数被称作I/O控制（ioctl）。

两个能够感知数据是否可获得的字符驱动程序方法：poll()和fasync()。前者是同步的，后者是异步的。

轮询，poll()驱动程序方法是select()系统调用的支柱。

fasync，fcntl(F_SETFL)调用导致fasync()驱动程序方法的调用。fasync()负责从接收SIGIO信号的进程列表里添加或删除条目。最后，fasync()利用内核库函数提供的服务调用了fasync_helper()。

字符驱动程序调用kill_fasync()发送SIGIO给注册的进程。为了通知一个读事件，将POLLIN作为kill_fasync()的参数。相应的写事件传递的参数是POLLOUT。

drivers/parport/目录包括IEEE1284并行端口通信的具体实现代码（称为parport）。parport有一个架构无关的模块和一个架构相关的模块。这两个模块为以并行端口为接口的设备驱动程序提供可编程接口。

新的设备模型将驱动程序和设备区分开来。调用parport_register_device()注册设备。

还可以使用sysfs控制并行端口。它使用了kobject，用于代表“控制”抽象。

内核中对RTC的支持分为两层：（1）硬件无关的顶层字符设备驱动程序，用于实现内核的RTC API；（2）硬件相关的底层驱动程序，用于和底层的总线通信。底层的RTC驱动程序由总线决定。

内核有一个专门的RTC子系统，提供了顶层的字符设备驱动程序，并给出了用于顶层和底层RTC驱动程序进行捆绑的核心基础结构。分散在不同的总线有关的目录下的底层RTC驱动程序通过此子系统统一在drivers/rtc/下。

RTC子系统使系统可以拥有不只一个RTC。

为了使能RTC子系统，在内核配置过程中需要选中CONFIG_RTC_CLASS配置选项。

有几个常用的内核工具没有和任何物理硬件相连接，它们被灵巧地实现伪字符设备。null设备、zero设备和内核随机数产生器被当作虚拟设备，并使用伪字符设备驱动程序来访问。

/dev/null字符设备接收你不想显示在屏幕上的数据。

/dev/zero驱动程序的read()方法中获取一串0。

/dev/random和/dev/urandom用于产生随机数，从/dev/random读取的随机数随机性高。

/dev/mem和/dev/kmem是典型的伪字符设备，它们提供了查看系统内存的工具。

上述几种字符设备拥有不同的设备号，但拥有静态分配的相同的主设备号1。还有其他的伪驱动程序属于同一个主设备号系列：其中/dev/full模拟一个总是处于满的设备，/dev/port查看系统的I/O端口。

混杂驱动程序是那些简单的字符设备驱动程序，它们拥有一些相同的特性。内核将这些共同性抽象至一个API中（具体实现见代码drivers/char/misc.c），这简化了这些驱动程序初始化的方式。

所有的混杂设备被分配一个主设备号10，但每个设备可选择一个单独的次设备号。

混杂驱动程序只需要调用misc_register()即可。每个混杂驱动程序自动出现在/sys/class/misc/文件中，而不必驱动程序编写者再编写了。

在drivers/char/目录下运行grep misc_register()命令可找到内核中其他的混杂设备。

（1）open()调用可能由于几个原因而失败。

（2）成功运行的read()和write()返回的字节数可能是1至请求的字节数之间的任意值，因此应用程序必须能处理这些情况。

（3）即使1字节的数据读或写就绪，select()也会返回成功。

（4）很多字符驱动程序方法是可选的，并不是所有的方法都提供。

另外，字符驱动程序不仅在drivers/char/目录下。下面是一些“超级”字符驱动程序：

（1）串行驱动程序，放在drivers/serial/目录下。

（2）输入驱动程序，放在drivers/input/目录下。

（3）帧缓存区(/dev/fb/*)提供对显存的访问，/dev/mem提供对系统内存的访问途径。

（4）一些设备类支持少量采用字符接口的硬件。

（5）一些子系统提供额外的字符接口，以向用户空间提供原始的设备模型。例如MTD子系统

（6）一些内核层提供钩子，通过导出相应的字符接口实现用户空间的设备驱动程序。

在drivers/目录下的register_chrdev上运行grep-r可了解内核中字符驱动程序的大致情况。