Linux 简单的字符文件驱动

Linux字符文件驱动是操作系统与硬件交互的重要组成部分，它允许应用程序通过标准的文件操作接口与特定的硬件设备进行通信。在Linux内核中，字符设备驱动主要用于处理那些一次只能读写少量数据的设备，如串口、键盘、鼠标等。本文将深入探讨Linux简单字符文件驱动的实现原理和关键组件。 字符设备在内核中由`struct cdev`结构体表示。这个结构体包含了设备的基本信息，如设备号（由`dev_t`类型的`dev`字段存储）、所属模块（`module *owner`）、操作函数表（`file_operations *ops`）等。设备号分为主设备号和次设备号，其中主设备号标识了设备的类型和所使用的驱动，次设备号用于区分同一类型的多个具体设备。`MKDEV()`宏用于组合主次设备号，而`MAJOR()`和`MINOR()`宏则分别用于提取它们。 在创建字符设备驱动时，开发者需要先申请设备号。`register_chrdev_region()`用于注册一个指定范围的设备号，而`alloc_chrdev_region()`则能动态地申请未被使用的设备号。一旦不再需要这些设备号，应使用`unregister_chrdev_region()`进行释放。 `struct cdev`与`struct file_operations`之间的关联是通过`cdev_init()`函数建立的，它将设备的操作函数表绑定到字符设备结构中。`cdev_alloc()`分配一个新的`cdev`结构体，`cdev_put()`回收空间，`cdev_del()`注销设备，而`cdev_add()`则负责将设备添加到系统中，使其可供用户空间访问。 在`file_operations`结构体中，开发者需要定义处理设备读写请求的函数，如`read`和`write`。当VFS（虚拟文件系统）接收到这些请求时，会调用相应的回调函数。在进行用户空间与内核空间数据交换时，可以使用`copy_from_user()`和`copy_to_user()`宏，它们负责在两个地址空间之间安全地拷贝数据。对于简单类型，如`int`或`long`，还可以使用`get_user()`和`put_user()`简化这一过程。 `container_of()`宏是Linux内核中常用的工具，它能通过结构体的一个成员找到整个结构体的指针。这对于跟踪和操作嵌套在其他结构中的对象非常有用。 以下是一个简单的示例，展示了如何定义一个内存设备驱动： ```c #include <linux/module.h> #include <linux/types.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/errno.h> #include <linux/mm.h> #include <linux/sched.h> #include <linux/cdev.h> #include <linux/init.h> #include <asm/io.h> #include <asm/system.h> #include <asm/uaccess.h> #define MAX_SIZE (4096*2) #define MAX_DEV (2) struct mem_dev { int a; int b; }; static struct cdev mem_cdev; static struct class *mem_class = NULL; static int mem_open(struct inode *, struct file *); static int mem_release(struct inode *, struct file *); static ssize_t mem_read(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *); static ssize_t mem_write(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *); static struct file_operations fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = mem_open, .release = mem_release, .read = mem_read, .write = mem_write, }; static int __init memdev_init(void) { int result; result = alloc_chrdev_region(&mem_cdev, 0, MAX_DEV, "memdev"); if (result < 0) { return result; } mem_class = class_create(THIS_MODULE, "mem_class"); if (IS_ERR(mem_class)) { unregister_chrdev_region(mem_cdev.dev, MAX_DEV); return PTR_ERR(mem_class); } cdev_init(&mem_cdev, &fops); result = cdev_add(&mem_cdev, mem_cdev.dev, MAX_DEV); if (result) { class_destroy(mem_class); unregister_chrdev_region(mem_cdev.dev, MAX_DEV); } return result; } static void __exit memdev_exit(void) { cdev_del(&mem_cdev); class_destroy(mem_class); unregister_chrdev_region(mem_cdev.dev, MAX_DEV); } module_init(memdev_init); module_exit(memdev_exit); ``` 在这个例子中，`mem_open`、`mem_release`、`mem_read`和`mem_write`分别对应设备的打开、关闭、读取和写入操作。驱动程序初始化时，会通过`alloc_chrdev_region`申请设备号，然后创建`cdev`并将其与`file_operations`绑定。当驱动退出时，会释放所有资源。 总结来说，Linux的字符文件驱动涉及到设备号管理、字符设备结构体的使用、文件操作函数的定义以及内核与用户空间的数据交换。理解这些概念和机制是编写高效、可靠的设备驱动的关键步骤。通过实践和学习，开发者可以为各种特定硬件编写自定义驱动，以实现更灵活、更高效的系统集成。