Linux Kernel学习笔记
转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_55465b470100eb8c.html
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Chapter 2. 设备驱动程序开发
在编程思路上，机制表示需要提供什么功能，策略表示如何使用这些功能。区分机制和策略是UNIX设计最重要和最好的思想之一。如X系统就由X服务器和X客户端组成。X服务器实现机制，负责操作硬件，给用户程序提供一个统一的接口。而X客户端实现策略，负责如何使用X服务器提供的功能。设备驱动程序也是机制与策略分离的典型应用。在编写硬件驱动程序时，不要强加任何特定的策略。
Linux系统将设备分成三种类型，分别是字符设备、块设备和网络接口设备。
在linux中通过设备文件访问硬件，设备文件位于/dev目录下。设备文件是一种信息文件，普通文件的目的在于存储数据，设备文件的目的在于向内核提供控制硬件的设备驱动程序的信息。设备文件保存了多种信息，其中重要的有设备类型信息，主设备号（major），次设备号（minor）。主设备号与次设备号起到连接应用程序和设备驱动程序的作用。当应用程序利用open()函数打开设备文件时，内核从相应的设备文件中得到主设备号，从而查找到相应的设备驱动程序，由次设备号查找实际设备。所以主设备号对应设备驱动程序，次设备号对应由该驱动程序所驱动的实际设备。通过设备文件可以向硬件传送数据，也可从硬件接收数据。
设备文件使用mknod命令生成。mknod命令语法如下：
mknod [设备文件名] [设备文件类型] [主设备号] [次设备号]
字符设备用c表示，块设备用b表示，网络设备没有专门的设备文件。
读写设备文件时要使用低级输入输出函数，不要使用带缓冲的以f开头的流文件输入输出函数。但并不是所有低级输入输出函数都可以用在设备文件上，可以用在设备文件的低级输入输出函数有以下几个：
open() 打开文件或设备 close() 关闭文件 read() 读取数据 write() 写数据 lseek() 改变文件的读写位置 ioctl() 实现read()，write()外的特殊控制，该函数只在设备文件中使用 fsync() 实现写入文件上的数据和实际硬件的同步
字符设备在系统中以设备文件的形式表示，位于/dev目录下。每个字符设备都有一个主设备号和次设备号，主设备号标识设备对应的驱动程序，次设备号标识设备文件所指的具体设备。
主次设备号的数据类型是dev_t，在/linux/types.h中定义。在2.6内核中，dev_t是一个32位的数，其中12位用来表示主设备号，其余20位用来表示次设备号。要获得设备的主次设备号可以使用内核提供的宏：
MAJOR(dev_t dev); #获得主设备号 MINOR(dev_t dev); #获得次设备号
这些宏定义位于linux/kdev_t.h中。如果要把主次设备号转换成dev_t类型，则可使用：
MKDEV(int major, int minor);
在建立一个字符设备之前，需要为它分配一个或多个设备号。使用register_chrdev_region()函数完成设备号的分配。该函数在linux/fs.h中声明。原型如下：
int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name); first：是要分配的主设备号范围的起始值，次设备号一般设置为0； count：是所请求的连续设备号的个数; name：是和该设备号范围关联的设备名称，它将出现在/proc/devices或/sysfs中。
如果分配成功则返回0，分配失败则返回一个负的错误码，所请求的设备号无效。
还有一个自动分配设备号的函数alloc_chrdev_region()，原型如下：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name); dev： 自动分配到设备号范围中的第一个主设备号; firstminor：自动分配的第一个次设备号，通常为0； count： 是所请求的连续设备号的个数; name： 是和该设备号范围关联的设备名称，它将出现在/proc/devices或/sysfs中。
如果我们不再使用设备号，则要使用unregister_chrdev_region()函数释放它。函数原型如下：
void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count); 函数的参数作用同上
我们一般在模块的清除函数中调用设备号释放函数。
在内核源码目录的Documentation/devices.txt文件中列出了已静态分配给常用设备的主设备号。为了减少设备号分配的冲突，我们一般要使用alloc_chrdev_region()函数来自动分配设备号。
文件操作结构：struct file_operations，在linux/fs.h中定义。它包含一组函数指针，实现文件操作的系统调用，如read、write等。每个打开的文件都和一个文件操作结构关联（通过file结构中指向file_operations结构的f_op字段进行关联）。
文件结构：struct file，在linux/fs.h中定义。file结构代表一个打开的文件，由内核在open时创建。指向文件结构的指针在内核中通常称为filp(文件指针)。当文件的所有实例都被关闭之后，内核会释放这个数据结构。
节点结构：struct inode，在linux/fs.h中定义。inode结构是内核表示文件的方法，而file结构是以文件描述符的方式表示文件的方法。结构中以下两个字段对编写驱动程序有用：
-
dev_t i_rdev，该字段包含了真正的设备编号。
-
struct cdev *i_cdev，该字段包含指向struct cdev结构的指针。
从设备的inode获取主次设备号的宏：
unsigned int iminor(struct inode *inode); unsigned int imajor(struct inode *inode);
下面两个是字符设备读写操作最重要的内核函数。
unsigned long copy_to_user (void __user * to, const void * from, unsigned long n); 读操作，把数据从内核空间复制到用户空间，返回不能复制的字节数，如果成功则返回0。 to 目的地址，在用户空间中; from 源地址，在用户空间; n 要复制的字节数。 unsigned long copy_from_user (void * to, const void __user * from, unsigned long n); 写操作，把数据从用户空间复制到内核空间，返回不能复制的字节数，如果成功则返回0。 to 目的地址，在内核空间中; from 源地址，在用户空间； n 要复制的字节数。
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