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9 Z1 Y3 v6 E3 a6 {5 A 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。
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2 w) X4 l% a1 K, m! W& Y 61 字符设备驱动程序框架' ]9 P0 z w0 Y
+ x B% v k& Y( W/ r6 u 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。
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- x; k2 O& D. X- H 611 字符设备和块设备
' S" k3 L* {. F, ~6 [: K
8 V& e& ?4 r4 H S: T4 s 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。
1 S# ^& _3 U# C, q H. }+ C- F0 [* @, W9 ]! ]8 Z
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。6 o# z& Q2 V9 A7 Z/ x" D3 `8 d
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1．字符设备; q, I, F5 Q W) |8 V% I7 H
1 M g+ d- U, C: X( U& K
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。% T% V5 @1 O K! M/ |3 Q
. h( ]9 l3 u: N4 I2 a 常见的字符有鼠标、键盘、串口、控制台和LED等设备。2 j/ K! w3 i1 Y9 i$ z; E
9 n2 J: ^- q% q 2．块设备
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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。 j# c3 w5 H$ M7 s/ e
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常见的块设备有硬盘、磁盘、U盘、SD卡等。( ^" V8 M- k7 c4 l5 t6 K% g
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3．字符设备和块设备的区分
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) g, n9 i N1 \$ Y5 E6 r. K% s 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。5 o0 C: C# E2 H; p* o6 q
8 n& o+ [" d7 [: u6 h# k 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。
5 _# @2 d- O6 r0 X2 C& U
1 e4 n6 b/ x( I [root@tom /]# cd /dev /*进入/dev目录*/
1 [; J' \2 P7 U8 w b, n) Z5 ~# n! \% y7 X; w% \8 O3 m
[root@tom dev]# ls -l /*列出/dev中文件的信息*/、3 |2 T9 s, t0 b: ~! w
8 l+ l/ G1 @1 y5 F& E0 R /*第1字段 2 3 4 5 6 7 8 */
$ R T6 }/ l7 w- S1 `) v: l# C9 q q! |2 Q8 J* P3 L5 b
crw-rw----+ 1 root root 14, 12 12-21 22:56 adsp
& Q- }7 e4 Y- M- L4 m3 ?2 ?6 ^# x
4 j m2 |: {3 T' y2 g8 p" a8 S crw------- 1 root root 10, 175 12-21 22:56 agpgart
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crw-rw----+ 1 root root 14, 4 12-21 22:56 audio7 Y) t8 r c. T: T8 R' R. E5 x
: _/ O8 \* N, b s, T1 F
brw-r----- 1 root disk 253, 0 12-21 22:56 dm-0/ M9 P V: C/ O6 ?6 J9 R
5 ^: P6 i- _/ C- L+ K8 u
brw-r----- 1 root disk 253, 1 12-21 22:56 dm-1' Q8 ~5 e3 S. y6 y
0 D4 |+ H0 L, `( V! |2 F4 y8 q crw-rw---- 1 root root 14, 9 12-21 22:56 dmmidi
* E( ~: p3 S1 E6 q; c* q/ J6 U% u/ A' R" q B
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。" G8 a! _# {; T4 g/ f. d6 E
! L0 F! i9 U7 Y' q1 C# q 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。0 o) {4 o; r8 P7 w0 r2 z8 E
- F/ I z" _% u3 |) X
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。9 L( X- I X8 P- b; S
5 n$ B' d& }* d
612 主设备号和次设备号
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一个字符设备或者块设备都有一个主设备号和次设备号。
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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。
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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。
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7 v- o/ A4 p2 ^3 k9 H. D' S 1．主设备号和次设备号的表示
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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： E) Y$ H# Z. ]. E. C C
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typedef u_long dev_t;
2 \, M4 T9 \% i* m
) s4 m, v& ~5 T/ }7 R# M 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) N2 O4 `5 `6 J& A) U! {
" _9 \: d+ V7 y/ @6 `
图61 dev_t结构
, [, M' B! O8 k; S A" j+ Z. x A( c7 }2 Q9 j2 U
2．主设备号和次设备号的获取
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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。6 i! N8 ]/ J6 R1 {' R
; g- G, h* x- r* B* p( P0 X
大发888下面是两个宏的定义：/ K1 q, V1 }4 p1 q
; |1 y0 s0 L# P$ n J- c/ f
#define MINORBITS 20 /*次设备号位数*/% u/ _) p, t+ G2 M4 ?
# I4 K _, k6 M' n- J #define MINORMASK ((1U > MINORBITS))& E8 S' h' ^% j, E: ~
' z d1 W; ?+ E% w$ { /*dev右移20位得到主设备号*/5 w7 H/ @# E5 E. v9 y
, k. K r/ ~: A, V2 f( G #define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) MINORMASK))
6 x; v! a& m6 Y, ^: T2 I4 w* r; n7 i
/*与次设备掩码与，得到次设备号*/
1 s8 M6 U8 k# ?* q! q& b) w+ b, Y/ V' p/ l1 [
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。
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0 W% ^& _/ d8 I" c+ c( e+ m& y #define MKDEV(ma,mi) (((ma)
4 X% c" s! e8 [; a/ X* m, ]' s. Z& j4 V9 R
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 {+ m' j/ p, x4 k( I
; Z. O5 z5 Z9 Z$ O5 R" q 3．静态分配设备号" O' T8 R* @& I* H9 s( O# X
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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。- }" W/ Z! e$ G- G( q; _( e( F
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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。
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0 L8 s* r8 g7 v 4．动态分配设备号& W8 h( D8 W9 z# r
) r+ w$ F, p8 E. t" I/ q3 @ 由于静态分配设备号存在冲突的问题
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