LINUX设备驱动程序笔记（三）字符设备驱动程序

在内核源代码树的Documentation/devicex.txt文件里能够找到这些设备的清单。对于一个驱动程序。讲义不要随便选择一个当前未使用的设备号作为主设备号，而应该使用动态分配机制获取主设备号。
        动态分配的缺点是：因为分配的主设备号不能保证始终一致，所以无法预先创建设备节点。为了载入一个使用动态主设备号的设备驱动程序，对insmod的调用可替换为一个简单的脚本，该脚本在调用insmod之后读取/proc/devices以获得新分配的主设备号，然后创建相应的设备文件。分配主设备号的最佳方式是：默认採用动态分配。同一时候保留在载入甚至是编译时指定主设备号的余地。


       <二> 一些重要的数据结构
        大部分主要的驱动程序操作涉及到三个重要的内核数据结构，各自是file_operations、file和inode。

        1.文件操作
         file_operations结构用来建立连接设备编号和驱动程序操作。该结构定义在<linux/fs.h>中。当中包括了一组函数指针。每一个打开的文件(后面提到的file)和一组函数关联。驱动程序的操作主要用来实现系统调用，命名为open、read等，能够觉得文件时一个“对象”。而操作它的函数式“方法”。file_operations结构或者指向这类结构的指针称为fops。这个结构中的每一个字段都必须指向驱动程序中实现特定操作的函数。对于不支持的操作，相应的字段可置为NULL值。对于各个函数而言，假设相应字段被赋为NULL指针，那么内核的详细处理行为不尽同样。
       在file_operations里。有很多參数包括有__user字符串，它事实上是一种形式的文档而已，表明指针式一个用户空间地址。因此，不能被直接引用。
        struct module *owner：指向“拥有”该结构的模块的指针。内核使用这个字段以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块。该成员被初始化为THIS_MODULE，它是定义在<linux/module.h>中
        int (*open)(struct inode *, struct file *):这是对设备文件的第一个操作，然而却不要求驱动程序一定要声明一个相
应的方法。

假设这个入口为NULL，设备的打开操作永远成功，但系统不会通知驱动程序。

        int (*release)(struct inode *, struct file *):当file结构被释放时。将调用这个操作。与open相仿，也可将release设
置为NULL，release并非在进程每次调用close时都会被调用。仅仅要file结构被共享，release就会等到全部的副本都关闭之后才会得到调用。

假设须要关闭随意一个副本时刷新那些待处理的数据。则应事先flush方法。
        int (*flush)(struct file *):对flush操作的调用发生在进程关闭设备文件描写叙述符副本的时候，它应该运行设备上尚未完结的操作。

假设flush被置为NULL，内核将简单忽略用户程序程序的请求。

        unsigned int (*poll)(struct file *, struct poll_table_struct *):poll方法是poll/epoll和select这三个系统调用的后端实现。poll方法应该返回一个位掩码，用来指出非堵塞的读取或写入是否可能，而且也会向内核提供调用进程置于休眠状态直到I/O变为可能时的信息。假设驱动程序将poll方法定义为NULL。则设备会被觉得既可读也可写。而且不会被堵塞。
        ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, lofft_t *)：用来从设备中读取数据。该函数指针被赋予NULL时，将导致read系统调用出错并返回-EINVAL。函数返回非负值表示成功读取的字节数。

        ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t):向设备发送数据，假设没有这个函数。write
系统调用会向程序返回一个-EINVAL,假设返回值非负。则表示成功写入的字节数。

        2.file结构
        在<linux/fs.h>中定义的struct file是设备驱动程序所使用的第二个重要的数据结构。

注意，file结构与用户空间程序中的FILE没有不论什么关联。

FILE在C库中定义且不会出如今内核代码中。而struct file是一个内核结构。不会出如今用户程序中。
        file结构代表一个打开的文件。它由内核在open时创建。并传递给在该文件上进行操作的全部函数，知道最后的close函数。在文件的全部实例都被关闭之后。内核会释放这个数据结构。struct file中最重要的成员罗列例如以下：
mode_t f_mode：文件模式，它通过FMODE_READ和FMODE_WRITE位来标识文件是否可读或可写，因为内核在调用驱动程序的read和write前已经检查了訪问权限。所以不必为这两个方法检查权限。在没有获得相应訪问权限而打开文件的情况下，对文件的读写操作将被内核拒绝，驱动程序无需为此而作额外的推断。

        unsigned int f_flags:文件标志，如O_RDONLY/O_NONBLOCK/O_SYNC。为了检查用户请求是否是非堵塞式的操作。驱动程序须要检查O_NONBLOCK标志，而其它标志非常少用到。

注意，检查读/写权限应该查看f_mode而不是f_flags。全部这些标志都定义在<linux/fcntl.h>中loff_t f_pos：当前的读/写位置。loff_t是一个64位的数。假设驱动程序须要知道文件里的当前位置，能够读取这个值，但不要去改动它。read/write会使用它们接收到的最后那个指针參数来更新这个位置，而不是直接对file->f_pos进行操作。这个规则的一个例外是llseek方法，该方法的目的本身就是改动文件位置。
       struct file_operations *f_op:与文件相关的操作。内核在运行open操作时对这个指针赋值。以后须要处理这些操作时读取这个指针。file->f_op中的值决不会为方便引用而保存起来，也就是说。我们能够在不论什么须要的时候改动文件的关联操作，在返回给调用者之后，新的操作方法就会马上生效。
       void *private_data:open系统调用在调用驱动程序的open方法前将这个指针置为NULL。驱动程序能够将这个字段用于不论什么目的或者忽略这个字段。
       3.inode结构
      内核用inode结构在内部表示文件。因此它和file结构不同。后者表示打开的文件描写叙述符。对单个文件。可能会有很多个表示打开的文件描写叙述符的file结构，但他们都指向单个inode结构。该结构中仅仅有两个字段对编写驱动程序实用：
       dev_t i_rdev:对表示设备文件的inode结构。该字段包括了真正的设备编号
       struct cdev *i_cdev:struct cdev是表示字符设备的内核的内部结构。当inode指向一个字符设备文件时，该字段包好了指向struct cdev结构的指针。

为了防止内核版本号的升级带来的不兼容问题，一般不直接使用i_rdev。而是使用以下的宏获得设备号：
        unsigned int iminor(struct inode *inode);  unsigned int imajor(struct inode *inode);


       <三>字符设备的注冊
       在内核调用设备的操作之前，必须分配并注冊一个或多个struct cdev结构。

为此。必须包括<linux/cdev.h>，当中定义了该结构及相关的辅助函数：
       分配、初始化struct cdev结构的两种方式：
struct cdev *my_cdev = cdev_allo();
void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops);
my_cdev->ops = &my_fops;
        另一个struct cdev的字段须要初始化，和file_operations结构类似，struct cdev也有一个全部者字段。应被设为THIS_MODULE。

        在cdev结构设置好之后。最后的步骤就是通过以下的调用告诉内核该结构的信息：
int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count);

        dev是cdev结构，num是该设备相应的第一个设备编号，count是应该和该设备关联的设备编号的数量，count常常取1。在使用cdev_add时，须要注意：

a.这个调用可能会失败。

假设它返回一个负的错误满，则设备不会被加入到系统中。

b.仅仅要cdev_add返回了，设备的操作就会被内核调用。因此。在驱动程序还没有全然准备优点理设备上的操作时。就不能调用cdev_add。

早起的办法：

       注冊字符设备驱动程序的经典方式：int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops);假设使用register_chrdev函数，将自己的设备从系统移除的正确函数是：int unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);

     a.检查设备特定的错误 

     b.假设设备是首次打开。则对其进行初始化 

     c.假设有必要。更新f_op指针 

     d.分配并填写置于filp->private_data里的数据结构