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* r5 T6 T' z; P' I+ _( S 第6章 简单的字符设备驱动程序
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在Linux设备驱动程序的家族中，字符设备驱动程序是较为简单的驱动程序，同时也是应用非常广泛的驱动程序。所以学习字符设备驱动程序，对构建Linux设备驱动程序的知识结构非常重要。本章将带领读者编写一个完整的字符设备驱动程序。% D. y' \: n% X7 k* \& T
; R1 b+ \8 x& ~$ | H1 T 61 字符设备驱动程序框架/ Z% h% c8 k% n
" _7 ?, l0 O$ u V, \ g7 K
本节对字符设备驱动程序框架进行了简要的分析。字符设备驱动程序中有许多非常重要的概念，下面将从最简单的概念讲起：字符设备和块设备。" I# x/ i5 H# Z* R$ I f& Q* n% v
3 U4 q3 b9 Z9 E# L* t: `3 m 611 字符设备和块设备
! O. |8 A- E O, o2 D' T. z
9 i- ~ n0 ?# j Linux系统将设备分为3种类型：字符设备、块设备和网络接口设备。
4 H0 u2 H5 j& d! D. D2 G* [$ S# u' c
其中字符设备和块设备难以区分，下面将对其进行重要讲解。
, z4 k2 r9 t1 a: W; a0 G6 s7 R' C- a+ E, B; G. S( `/ B2 G/ g3 w8 ~
1．字符设备% y8 s: U5 ^8 ]+ i( l, d
4 R* d) j& ]: z2 s2 n) _: W
字符设备是指那些只能一个字节一个字节读写数据的设备，不能随机读取设备内存中的某一数据。其读取数据需要按照先后顺序，从这点来看，字符设备是面向数据流的设备。
; h% _! L% l+ o9 _8 G/ r5 [. J2 M- G* |
常见的字符有鼠标、键盘、串口、控制台和LED等设备。! b5 B# I: P0 n2 F: h# q* |3 x
; Z7 K; a7 x5 P* t# q$ Z" s" z 2．块设备" ^$ x) ?6 A! C& |5 n/ P
$ X' o* `5 l" j, k$ l7 G/ h
块设备是指那些可以从设备的任意位置读取一定长度数据的设备。其读取数据不必按照先后顺序，可以定位到设备的某一具体位置，读取数据。
, i$ A2 w, K* |; X% p: e3 \/ ^$ i# B4 c( ]$ c
常见的块设备有硬盘、磁盘、U盘、SD卡等。
+ M6 }- B) |1 s/ U0 ~2 T" p/ z- z' W4 N, I
3．字符设备和块设备的区分
& t) Y- n4 R* L0 p2 t2 f$ c& i% F( c( d X+ R
每一个字符设备或者块设备都在/dev目录下对应一个设备文件。读者可以通过查看/dev目录下的文件的属性，来区分设备是字符设备还是块设备。
. o C q( N% R1 e+ a
. [- w$ K' O( j+ U! H2 A/ c 使用cd命令进入/dev目录，并执行ls -l命令就可以看到设备的属性。- \; ^* P9 `& L, h" \' u
7 t* e: [9 o( |8 i0 ]8 c" d [root@tom /]# cd /dev /*进入/dev目录*/& S6 y8 ~6 K; J" o: u; B8 Q8 ^
* e6 W: d" U3 j& M8 l" Y3 { [root@tom dev]# ls -l /*列出/dev中文件的信息*/、
: N9 Z. ?2 `7 a' w! N" }/ _1 {- ]5 u; t w$ h
/*第1字段 2 3 4 5 6 7 8 */
& M2 k- X K) U& ?! W. R0 m) e! G5 a1 h
crw-rw----+ 1 root root 14, 12 12-21 22:56 adsp
W' a3 e! l' l& j1 e) C- U& m! t; Z6 [1 L
crw------- 1 root root 10, 175 12-21 22:56 agpgart$ L F" {9 s( j7 r' L
2 \2 w) x z7 o# l" q+ C
crw-rw----+ 1 root root 14, 4 12-21 22:56 audio' x- {: w6 l6 L: j
+ J/ Q* N* _2 r3 ~! s brw-r----- 1 root disk 253, 0 12-21 22:56 dm-0
0 L; ]" w4 q9 ~& Z! z* @' x
( \ q- s+ O' {0 Y, i brw-r----- 1 root disk 253, 1 12-21 22:56 dm-1
: [$ q( E5 A4 ]3 T2 |! l7 d+ i
1 z( D# r* |; U* l% i. f2 P crw-rw---- 1 root root 14, 9 12-21 22:56 dmmidi3 o, M# x; c1 {
}8 L" C/ d5 m* w6 ^ @, K2 x
ls -l命令的第一字段中的第一个字符c表示设备是字符设备，b表示设备是块设备。第234字段对驱动程序开发来说没有关系。
# J2 c9 w1 U }% T' U9 g0 v) Y# k* J; s4 V* n, ]* W7 P, A
第5，6字段分别表示设备的主设备号和次设备号，将在612节讲解。第7字段表示文件的最后修改时间。第8字段表示设备的名字。# x; e% ~" z% N( O/ |- }
: e0 \4 d, v$ s6 `2 H 由第1和8字段可知，adsp是字符设备，dm-0是块设备。其中adsp设备的主设备号是14，次设备号是12。
0 Q7 {% t. T4 H8 Y
. {: m4 C H2 N2 Z ]0 s 612 主设备号和次设备号
9 ~! B% a8 e8 r8 X, c
0 s4 h4 t& {/ r0 w% \- p& h/ \/ ?9 s 一个字符设备或者块设备都有一个主设备号和次设备号。' ?# g# w* L5 N' B4 T( E; }
, e; i# W6 G- h+ d+ B* L9 c$ c
主设备号和次设备号统称为设备号。主设备号用来表示一个特定的驱动程序。次设备号用来表示使用该驱动程序的各设备。( O# ~) I8 K- v. y, O( n7 v6 i
7 j' H" n, Q8 K 例如一个嵌入式系统，有两个LED指示灯，LED灯需要独立的打开或者关闭。那么，可以写一个LED灯的字符设备驱动程序，可以将其主设备号注册成5号设备，次设备号分别为1和2。这里，次设备号就分别表示两个LED灯。5 W2 u4 Y$ b6 G; P) U" ~# N+ Y7 k
- E' x$ ?6 ?2 C3 m* p$ G- M 1．主设备号和次设备号的表示3 K/ Z0 M c% P# R
! M- V+ T Y+ @: L) n
在Linux内核中，dev_t类型用来表示设备号。在Linux 26294中，dev_t定义为一个无符号长整型变量，如下：! L+ t+ N0 l* b: R4 z# ^, j
( J5 v' {6 C2 y! c# z% @9 V! j
typedef u_long dev_t;% T, R9 V# D1 [; i
2 s+ Q$ h( w3 k' T; L; W; }' x
u_long在32位机中是4个字节，在64位机中是8字节。以32位机为例，其中高12表示主设备号，低20为表示次设备号，如图61所示。! F+ h% Q; L7 g8 E
: Z3 M5 W) I& T9 S5 k7 F 图61 dev_t结构
: h; \" j- m) Y
! _/ R1 k( @+ i" w2 b 2．主设备号和次设备号的获取5 X5 d$ L5 g4 G( w4 U1 _- C
5 N7 E+ v+ L' f) s3 O 为了写出可移植的驱动程序，不能假定主设备号和次设备号的位数。不同的机型中，主设备号和次设备号的位数可能是不同的。应该使用MAJOR宏得到主设备号，使用MINOR宏来得到次设备号。0 k8 k1 _ t+ Y/ ~# M" v4 x3 ?
. |$ J% ?- U3 E! N" Q* s) ]
大发888下面是两个宏的定义：
' f @8 b+ J0 l" b* h3 Y5 s: U( E3 Q2 W$ R- U8 X- _5 G# ^8 Y* `
#define MINORBITS 20 /*次设备号位数*/
" |' W4 \1 D5 _9 u( ]' ~( ~
; d* w) _9 {! Z9 h5 B2 d- R7 M! J& f #define MINORMASK ((1U > MINORBITS))! B4 h! A. m( f' h: y z
. i" @. C, `* P
/*dev右移20位得到主设备号*/
6 K- R* m2 E5 T% I, r9 d9 @' @* F9 \- B. H; X p9 B) V
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) MINORMASK))9 d+ e# `- M( _) \ z1 u- C8 G; k
/ K+ @; L p8 y4 v /*与次设备掩码与，得到次设备号*/- ]8 D* }& _# [: C4 g
/ \" X+ A8 }4 U$ F2 Q" w; K
MAJOR宏将dev_t向右移动20位，得到主设备号；MINOR宏将dev_t的高12位清零，得到次设备号。相反，可以将主设备号和次设备号转换为设备号类型（dev_t），使用宏MKDEV可以完成这个功能。/ B: Y6 Y, E; ?5 b1 `
7 a' f/ t; F" M% K7 R# J
#define MKDEV(ma,mi) (((ma)
7 y6 ~4 k3 m1 b. |' H
+ I( X$ h& l; k# d3 v Y MKDEV宏将主设备号（ma）左移20位，然后与次设备号（mi）相与，得到设备号。2 g1 l( `. E4 g# ?+ x& j# T; \# B1 g
7 Z _% f% Q8 z& P
3．静态分配设备号
+ P d! U1 t; u( G
7 |: n) C7 a5 K- k 静态分配设备号，就是驱动程序开发者，静态地指定一个设备号。对于一部分常用的设备，内核开发者已经为其分配了设备号。这些设备号可以在内核源码documentation/ devicestxt文件中找到。
% N7 J: M0 g, K$ ?* r/ I) p
- V; E, D) g, B) c 如果只有开发者自己使用这些设备驱动程序，那么其可以选择一个尚未使用的设备号。在不添加新硬件的时候，这种方式不会产生设备号冲突。但是当添加新硬件时，则很可能造成设备号冲突，影响设备的使用。# O, F- \7 ]( N l$ w
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4．动态分配设备号# }3 z/ f* _& K" J. B7 _
2 z: G C$ X6 k: Z 由于静态分配设备号存在冲突的问题7 T6 \4 C7 |8 e: |9 u5 m' c
. u2 B' |4 N2 P& x
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