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第6章 简单的字符设备驱动程序
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3 z/ [4 }$ Q+ f C$ h0 X& h5 p z 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。1 p/ D8 _: e$ q% U! C
2 G# u! c1 o7 I$ e" E K, h 61 字符设备驱动程序框架0 H- M0 S$ f W; e w
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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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611 字符设备和块设备
! H+ x8 e3 O: ]/ z3 O2 R# l+ z0 |+ z' \, A
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。' O1 h; @1 I g' s# g/ l8 y! N% a
4 ]' P$ d2 n/ j% N. }- q 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。
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6 O+ u y1 B+ _& v p8 O. y 1．字符设备
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( y9 V* [' I0 Y0 Z7 a" h' x+ B 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。
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常见的字符有鼠标、键盘、串口、控制台和LED等设备。* [: e, T; S( A' G' ^* s
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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。+ z: I! d9 B( R
+ a' F* Y" z( r 常见的块设备有硬盘、磁盘、U盘、SD卡等。
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+ s& |9 l5 q) r* k4 f& \ 3．字符设备和块设备的区分
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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。
) ^$ y8 o! E( }* i* ]. l4 D$ D& r1 Z9 i' d$ q4 P/ L
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。" G" c# C o6 }! X7 g! w
2 J/ Y5 Q3 x4 _( [. O [root@tom /]# cd /dev /*进入/dev目录*/: q" J; F) E5 A' o4 D6 z) {* ~
7 `) d! _2 {; ]! z
[root@tom dev]# ls -l /*列出/dev中文件的信息*/、
]- L* E0 R2 Y6 |' P1 K
: Z0 B& A, _& d! f6 y x /*第1字段 2 3 4 5 6 7 8 */
) i5 `. q; v# C' L1 E: W2 L6 @: D- C! R3 `
crw-rw----+ 1 root root 14, 12 12-21 22:56 adsp( _# q. d8 l$ A
6 U7 m! v: O1 O9 Y crw------- 1 root root 10, 175 12-21 22:56 agpgart
/ t( \, @6 x& u* W7 T
1 u6 r* {. N. G, u: w4 v crw-rw----+ 1 root root 14, 4 12-21 22:56 audio
7 m8 ~! ?) B% L5 x0 _' V f5 q# ^" z6 _) d8 V$ m! Y
brw-r----- 1 root disk 253, 0 12-21 22:56 dm-0
5 K a& @! ^/ c" c. z, q' F
P) T7 L; |5 r/ j! ? y brw-r----- 1 root disk 253, 1 12-21 22:56 dm-1
" Q* y7 M& f* r- B# m
& `+ u' B' h! _0 ^7 t/ z; m9 _ crw-rw---- 1 root root 14, 9 12-21 22:56 dmmidi, \! H5 k4 N* a! A& P. D3 O+ F
' Q4 _8 u, ]0 n. W8 l
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。& n; L/ S( c N# b# w
0 \6 f# X4 z3 |5 `' ^) ? 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。
6 b6 L P5 a; a. q+ g9 i3 O/ X$ u0 E4 t$ R) p% e7 `
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。
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7 X D2 {( I& V9 X 612 主设备号和次设备号8 r1 u# R2 |& L& f
g( r/ K& |" |, C% E 一个字符设备或者块设备都有一个主设备号和次设备号。0 }6 ?$ h m! s$ U/ N
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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。$ [" M j" p: A- n
6 E/ w- K$ T% g; D: `1 I, ^$ y
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。/ Y. n) H8 G5 i# n
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1．主设备号和次设备号的表示
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, B) m( f0 I: k# j: A/ R1 x q6 R 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：
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) A+ l9 w1 P3 L2 f/ x w# K typedef u_long dev_t;: U+ b ^2 C0 K8 L; U8 k' G0 W
, O0 {- t/ J% N; h | 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。
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8 f+ \+ O9 w) H8 M/ i' D4 _ 图61 dev_t结构
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( y! }2 T9 j0 T0 l/ k7 I2 y2 G 2．主设备号和次设备号的获取3 _' d0 \) S0 x' [$ S
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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。
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大发888下面是两个宏的定义：8 P, e, c% H' {; i$ S; W7 X m
8 @. F( o, [" B( e! [, G #define MINORBITS 20 /*次设备号位数*/6 G6 P8 l7 ^% z2 g0 E" Y
- t2 d5 H3 m$ ]4 S #define MINORMASK ((1U > MINORBITS))! n, t/ {+ Y% k |6 m, R
: P- F8 Z" _ _- b7 F$ L2 w
/*dev右移20位得到主设备号*/" O. }& A& N& J# {& u' H8 X9 `
/ T* R( ~( e6 z2 P! ]/ S2 [( V
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) MINORMASK)); `6 `- x7 O( V3 Z1 z
1 w" a3 B& a: i: ^# A
/*与次设备掩码与，得到次设备号*/5 |5 E" P' B! u6 q5 C0 }7 f
4 t( n$ @6 r7 o; I% @, Z
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。; C, p0 e/ |- B+ H) v
$ _) n \6 `; l- |, e: g5 D" n0 ~
#define MKDEV(ma,mi) (((ma)
0 @5 y8 Y1 l6 U( Z4 ]
+ K+ e' L% W J* p$ o 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。( c9 z/ f2 |( l/ W" j
. S2 Z2 j% F6 O* d+ l. f 3．静态分配设备号
# P, q s3 u. a/ r7 y9 V; e1 f n
* @$ j. Q3 ^/ ]9 |* c 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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! F) A) q% D6 y" @2 O7 k, F* I7 P5 Z: N 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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U& Q2 j- z) o. Y. j- J 4．动态分配设备号
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由于静态分配设备号存在冲突的问题
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