一文帶你掌握Linux字符設備架構
一、Linux設備分類
Linux系統(tǒng)為了管理方便，將設備分成三種基本類型：
字符設備
塊設備
網(wǎng)絡設備
字符設備：
字符（char）設備是個能夠像字節(jié)流（類似文件）一樣被訪問的設備，由字符設備驅(qū)動程序來實現(xiàn)這種特性。字符設備驅(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以及類似設備）就是兩個字符設備，它們能很好的說明“流”這種抽象概念。
字符設備可以通過文件節(jié)點來訪問，比如/dev/tty1和/dev/lp0等。這些設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)建好的設備節(jié)點：
字符設備文件（類型為c），設備文件是沒有文件大小的，取而代之的是兩個號碼：主設備號5 +次設備號1 。
塊設備：
和字符設備類似，塊設備也是通過/dev目錄下的文件系統(tǒng)節(jié)點來訪問。塊設備（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像字符設備一樣地讀寫塊設備，允許一次傳遞任意多字節(jié)的數(shù)據(jù)。因此，塊設備和字符設備的區(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。
塊設備文件（類型為b）：
網(wǎng)絡設備：
任何網(wǎng)絡事物都需要經(jīng)過一個網(wǎng)絡接口形成，網(wǎng)絡接口是一個能夠和其他主機交換數(shù)據(jù)的設備。接口通常是一個硬件設備，但也可能是個純軟件設備，比如回環(huán)（loopback）接口。
網(wǎng)絡接口由內(nèi)核中的網(wǎng)絡子系統(tǒng)驅(qū)動，負責發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。許多網(wǎng)絡連接（尤其是使用TCP協(xié)議的連接）是面向流的，但網(wǎng)絡設備卻圍繞數(shù)據(jù)包的傳送和接收而設計。網(wǎng)絡驅(qū)動程序不需要知道各個連接的相關信息，它只要處理數(shù)據(jù)包即可。
由于不是面向流的設備，因此將網(wǎng)絡接口映射到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中不存在對應的節(jié)點。內(nèi)核和網(wǎng)絡設備驅(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)包相關的函數(shù)socket，也叫套接字。
查看網(wǎng)絡設備使用命令ifconfig：
二、字符設備架構是如何實現(xiàn)的？
在Linux的世界里面一切皆文件，所有的硬件設備操作到應用層都會被抽象成文件的操作。我們知道如果應用層要訪問硬件設備，它必定要調(diào)用到硬件對應的驅(qū)動程序。Linux內(nèi)核中有那么多驅(qū)動程序，應用層怎么才能精確的調(diào)用到底層的驅(qū)動程序呢？
在這里我們字符設備為例，來看一下應用程序是如何和底層驅(qū)動程序關聯(lián)起來的。必須知道的基礎知識：
1.在Linux文件系統(tǒng)中，每個文件都用一個struct inode結(jié)構體來描述，這個結(jié)構體里面記錄了這個文件的所有信息，例如：文件類型，訪問權限等。
2.在Linux操作系統(tǒng)中，每個驅(qū)動程序在應用層的/dev目錄下都會有一個設備文件和它對應，并且該文件會有對應的主設備號和次設備號。
3.在Linux操作系統(tǒng)中，每個驅(qū)動程序都要分配一個主設備號，字符設備的設備號保存在struct cdev結(jié)構體中。
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; //設備號 unsigned int count；//次設備號個數(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)構體來描述打開的這個文件。該結(jié)構體用于維護文件打開權限、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)構體里面的f_pos（記錄當前文件的位移量），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)構體關系如下圖所示：
通過上圖我們可以知道，如果想訪問底層設備，就必須打開對應的設備文件。也就是在這個打開的過程中，Linux內(nèi)核將應用層和對應的驅(qū)動程序關聯(lián)起來。
1.當open函數(shù)打開設備文件時，可以根據(jù)設備文件對應的struct inode結(jié)構體描述的信息，可以知道接下來要操作的設備類型（字符設備還是塊設備）。還會分配一個struct file結(jié)構體。
2.根據(jù)struct inode結(jié)構體里面記錄的設備號，可以找到對應的驅(qū)動程序。這里以字符設備為例。在Linux操作系統(tǒng)中每個字符設備有一個struct cdev結(jié)構體。此結(jié)構體描述了字符設備所有的信息，其中最重要一項的就是字符設備的操作函數(shù)接口。
3.找到struct cdev結(jié)構體后，Linux內(nèi)核就會將struct cdev結(jié)構體所在的內(nèi)存空間首地記錄在struct inode結(jié)構體的i_cdev成員中。將struct cdev結(jié)構體的中記錄的函數(shù)操作接口地址記錄在struct file結(jié)構體的f_op成員中。
4.任務完成，VFS層會給應用層返回一個文件描述符（fd）。這個fd是和struct file結(jié)構體對應的。接下來上層的應用程序就可以通過fd來找到strut file，然后在由struct file找到操作字符設備的函數(shù)接口了。
三、字符驅(qū)動相關函數(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)構體參數(shù)： @cdev cdev結(jié)構體地址 @fops 操作字符設備的函數(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（）的設備號參數(shù)： @from 設備號 @count 注冊的設備個數(shù) @name 設備的名字返回值： 成功返回0，失敗返回錯誤碼（負數(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： 添加一個字符設備到操作系統(tǒng)參數(shù)： @p cdev結(jié)構體地址 @dev 設備號 @count 次設備號個數(shù)返回值： 成功返回0，失敗返回錯誤碼（負數(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)中刪除一個字符設備參數(shù)： @p cdev結(jié)構體地址返回值： 無
static inline int register_chrdev（unsigned int major， const char *name， const struct file_operations *fops）功能： 注冊或者分配設備號，并注冊fops到cdev結(jié)構體， 如果major》0，功能為注冊該主設備號， 如果major=0，功能為動態(tài)分配主設備號。參數(shù)： @major ： 主設備號 @name ： 設備名稱，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，失敗返回負的錯誤碼 如果major=0 成功返回主設備號，失敗返回負的錯誤碼
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、如何編寫字符設備驅(qū)動
參考上圖，編寫字符設備驅(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. 申請主設備號
申請主設備號 （內(nèi)核中用于區(qū)分和管理不同字符設備）
register_chrdev_region （devno， number_of_devices， “hello”）;
3. 創(chuàng)建設備節(jié)點
創(chuàng)建設備節(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)建設備節(jié)點
除了使用mknod命令手動創(chuàng)建設備節(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)中硬件設備的狀態(tài)動態(tài)的更新設備文件，包括設備文件的創(chuàng)建，刪除，權限等。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 提供設備入口和uevent 通道，tmpfs 為udev 設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)建設備節(jié)點，并且當插入新設備——加入驅(qū)動模塊——在sysfs上注冊新的數(shù)據(jù)后，udev會創(chuàng)新新的設備節(jié)點。
注意，udev 是通過對內(nèi)核產(chǎn)生的設備文件修改，或增加別名的方式來達到自定義設備文件的目的。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等設備文件，而udev可根據(jù)設備的唯一信息來區(qū)分不同的設備，并產(chǎn)生新的設備文件（或鏈接）。
例如：
如果驅(qū)動模塊可以將自己的設備號作為內(nèi)核參數(shù)導出，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中包含了主設備號和次設備號的值以及設備名字。
在Linux應用層啟動一個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)建設備節(jié)點的信息，然后調(diào)用mknod程序在/dev目錄下創(chuàng)建設備節(jié)點。結(jié)束之后，udev就開始等待內(nèi)核空間的event。這個設備模型的東西，我們在后面再詳細說。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)中導出我們的設備號的值，導出值之后，內(nèi)核還會向應用層上報event。此時udev就知道有活可以干了，它收到這個event后，就讀取event對應的信息，接下來就開始創(chuàng)建設備節(jié)點啦。
如何創(chuàng)建一個設備類？
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，把設備進行了分類，同一類設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：導出我們的設備信息到用戶空間
/** * 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對應應用層的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：待操作的設備文件file結(jié)構體指針 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)，失敗返回負值
如果該操作為空，將使得write系統(tǒng)調(diào)用返回負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： 待操作的設備文件file結(jié)構體指針 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)，失敗返回負值
注意：如果該操作為空，將使得read系統(tǒng)調(diào)用返回負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）參數(shù)： to：目標地址（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)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)
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 ”， 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 ”， count）; if （count 》 127） return -ENOMEM; if （copy_from_user （data， buf， count）） { ret = -EFAULT; } else { data［count］ = ’