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第6章 简单的字符设备驱动程序% P9 h& Y: u( K, o1 m. U
/ O. Y: Y1 h' y! v* I8 Z' a 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。
/ z) P1 ^- i0 q" W* l) D4 j- d ` J6 t4 C( a& _, D, k3 F
61 字符设备驱动程序框架
& E7 S& ]# o" {- P/ [! u8 g7 w0 j3 J5 a7 w
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。) N& z4 V) y x% h: s0 L% B/ I
& k& P, i8 O. J* ? 611 字符设备和块设备7 {( h8 j7 g0 s6 D0 G5 b5 G
& T9 ?$ g5 P5 F5 E 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。; G* h+ Y6 O) K. H
. }- d! [- i! m+ J8 A
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。
. {- e) t W6 q# B& t, n( ?8 y. p. J6 \2 R; M
1．字符设备
+ G; r4 b$ ^3 o1 T# U9 R0 j8 C
$ A; R- ^( [4 i* N2 K6 Q8 h0 ]5 T" I 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。! I. M" R6 \1 b/ F/ Y
8 l# Q: I$ R$ K; y 常见的字符有鼠标、键盘、串口、控制台和LED等设备。, o# {$ K( k& @* Y6 B0 f! v& h5 G
- I* i7 e) q8 }9 R/ i3 p
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。; r7 ~6 l9 _' r1 F+ M7 z2 K
) m& V; [, B* K6 W7 ^# f9 s! s 常见的块设备有硬盘、磁盘、U盘、SD卡等。
$ { ?8 T8 m; x$ `
# [3 k2 h- U: e 3．字符设备和块设备的区分
! {0 @1 G0 L5 ^ R9 d1 A
( |0 T! ^6 ]; O2 y9 B% n 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。: M& c' J$ l6 h- B8 w+ k% G" @
' [1 D% t7 k0 C! I 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。6 u$ H! j I) P
8 j0 x) _0 `5 R4 U; x" c& _ [root@tom /]# cd /dev /*进入/dev目录*/
% i( a6 p0 Z) q- f3 Z, H1 O0 w0 y" w2 c1 d
[root@tom dev]# ls -l /*列出/dev中文件的信息*/、; x5 n0 @0 j% H+ B/ `/ O% C
- u' {! [2 X) u( ? /*第1字段 2 3 4 5 6 7 8 */2 F" K5 U% e: E6 c. G
0 a8 f$ u1 T, S, E' w
crw-rw----+ 1 root root 14, 12 12-21 22:56 adsp
( e1 ]$ |# `! G" M. h4 h6 C D. a1 t6 {# P: }0 u
crw------- 1 root root 10, 175 12-21 22:56 agpgart
# b' e' z% M7 [4 s1 w0 |2 ^ a* m( R: v- T( f6 f
crw-rw----+ 1 root root 14, 4 12-21 22:56 audio
6 l8 R. j% l) X3 A; B: B9 Q
7 {; i) W* Q* S( o7 E brw-r----- 1 root disk 253, 0 12-21 22:56 dm-0" Z2 v1 n7 t" y; [$ J' O6 r
+ e9 ?* _! Y7 [4 W brw-r----- 1 root disk 253, 1 12-21 22:56 dm-18 P3 M7 k' ?9 w
3 Q: H8 S2 q9 x! |& a5 R crw-rw---- 1 root root 14, 9 12-21 22:56 dmmidi$ c& Y+ @" v2 j N5 k
& T9 M" `' c. T+ ]; f
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。: Z8 B! N- R& ?9 R6 P
* l2 ? m" o' |( L- x 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。
1 s. ~7 A2 B2 z8 j- |0 B
( l1 c0 P* h5 o& P 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。2 ^# r/ {1 N) u2 l% H; ?
* S" N1 r: q$ {0 A0 ~+ l! o 612 主设备号和次设备号
* t" q* v- L/ X: Y, J a
3 ]8 {. _+ b( ^2 B" I 一个字符设备或者块设备都有一个主设备号和次设备号。8 [2 P5 Q& x; C z( @
1 F2 h& [9 _ a/ a, J% |2 O 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。( h6 \$ H/ Z) n& q# F* b: Z
( S. n1 x' S Q" E 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。
* ]9 U$ @" `- n; R' A( R# z$ G) K6 f; ]) n# u" @" M: k
1．主设备号和次设备号的表示
. t2 D- q7 ]. V# t" V3 I3 u5 @ f% W" ?1 ^8 \
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：
( C1 P2 {6 j0 i5 Z/ p
3 y% f" r% G6 W typedef u_long dev_t;, F5 x% R; ~/ t8 A% k
7 P6 v( c8 q" R 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。/ E4 d+ M8 j0 P$ i
5 M" }5 a; x0 ~5 b9 ?3 q
图61 dev_t结构
" K* I. r4 ^* r# {: r3 W3 L7 `5 T: H
2．主设备号和次设备号的获取( C# Y% X5 H! Y3 W& n
y4 d* Y2 T8 }! L, S$ 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。' s$ }1 ^: K8 f4 ~7 T9 [
7 o! s. g$ N# n- c$ i 大发888下面是两个宏的定义：
* u. n' Q3 d" G; j! h5 `" j, d: m
, w+ m/ T9 f7 G. l* B A( I7 T! ` #define MINORBITS 20 /*次设备号位数*/ d0 T- |- F) F) F. T+ C' W. o% M
; E1 W% v, l5 [
#define MINORMASK ((1U > MINORBITS))
) m) {) P" i2 R- R" q, m; Q* y, e
- ~6 p, } g* n# p% A4 I0 S /*dev右移20位得到主设备号*/+ Y4 L9 @+ J3 Q+ b
1 b" x( u9 N3 d* `$ R6 W #define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) MINORMASK))- q& r8 u5 l$ x% s; s& C8 P Y, Y
. M# C6 t, |0 b2 P
/*与次设备掩码与，得到次设备号*/9 Z( b3 ?( m' Y: {3 R
. A; X5 f4 p0 E- X0 y- M 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。
# X6 W7 [* _+ N* }$ s( `- ~
/ G4 w1 G0 [' W #define MKDEV(ma,mi) (((ma)
) i/ s% t* S+ R& @7 C! `, X( j Y' P1 e2 M
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。, Q" }' R2 _+ x, ^9 j' t4 Q. g
, \1 T7 n* c7 Y: {2 E2 Q# F% Q
3．静态分配设备号& v' t. H# U% N( w/ o- u: N8 d
- ?8 G: P6 \6 W1 G 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。
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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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4．动态分配设备号, A, j+ i `! U+ d# a) ~2 j
( c0 B) ~# u/ K. M6 p4 f
由于静态分配设备号存在冲突的问题( z4 s5 t* x' y* @
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