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一、應用層的程序

• 很簡單，open設備文件，read、write、ioctl，最后close退出。

[cpp]?view plaincopy

int?main(int?argc?,char?*argv[])??

{??

???unsigned?char?val[1]?=?1;??

???int?fd?=open("/dev/LED",O_RDWR);//打開設備??

???write(fd,val,1);//寫入設備，這里代表LED全亮??

???close(fd);//關閉設備??

???return?0;??

}??

二、/dev目錄、文件系統

三、設備文件的創建

（1）/dev目錄下的設備文件基本上都是通過mdev來動態創建的。mdev是一個用戶態的應用程序，位于busybox工具箱中。其創建過程包括：

• 驅動初始化或者總線匹配后，會調用驅動的probe接口。該接口會調用device_create(設備類, 設備號, 設備名)，在“/sys/class/設備類”目錄生成唯一的設備屬性文件（包括設備號和設備名等信息），并且發送uvent事件（KOBJ_ADD和環境變量，如路徑等信息）到用戶空間（通過socket方式）。
• mdev是一個work_thread線程，收到事件后會分析“/sys/class/設備類”的對應文件，最終調用mknod動態來創建設備文件。
• 設備文件內容主要是設備號（這個設備文件對應的inode，會記錄文件的屬性是一個設備（其他屬性還包括目錄，一般文件，符號鏈接等））。
• 應用程序open最重要的一步就是（通過文件系統接口）獲得該設備文件的內容，即設備號。

（2）如果初始化過程中沒有調用device_create接口來創建設備文件，則需要手動通過命令行調用mknod接口來創建設備文件。

（3）mknod接口分析

四、open設備文件

（1）open設備文件，是為了獲取（該設備驅動的）file_operations操作集。

• 該接口集是struct file的成員，open返回file數據結構指針：

[cpp]?view plaincopy

struct?file???

{??

??const?struct?file_operations?*f_op;??

??unsigned?int?f_flags;//可讀，可寫等??

??…??

};??

（2）以下是led設備驅動的操作接口。open("/dev/LED",O_RDWR)就是為了獲得led_fops。

[cpp]?view plaincopy

static?const?struct?file_operations?led_fops?=?{??

??.owner?=THIS_MODULE,??

??.open?=led_open,??

??.write?=?led_write,??

};??

• 仔細看應用程序int fd =open("/dev/LED",O_RDWR)，open的返回值是int，并不是file，其實是為了操作系統和安全考慮。
• fd位于應用層，而file位于內核層，它們都同屬進程相關概念。
• 在linux中，同一個文件（對應于唯一的inode）可以被不同的進程打開多次，而每次打開都會獲得file數據結構。
• 每個進程都會維護一個已經打開的file數組，fd就是對應file結構的數組下標。因此，file和fd在進程范圍內是一一對應的關系。

（3）open接口分析

通過系統調用后對應調用sys_open，其是vfs層的接口Sys_open(/dev/led)

• SYSCALL_DEFINE3(open,const char __user *, filename, int, flags, int, mode)
• ? do_sys_open(AT_FDCWD,/dev/tty, flags, mode);
• ? ? fd = get_unused_fd_flags(flags);
• ? ? struct file *f = do_filp_open(dfd, tmp, flags, mode, 0);
• ? ? ? path_init(dfd, pathname, LOOKUP_PARENT, &nd);//path_init返回時nd->dentry即為搜索路徑文件名的起點
• ? ? ? link_path_walk(pathname, &nd);//link_path_walk一步步建立打開路徑的各個目錄的dentry和inode
• ? ? ? do_last(&nd, &path, open_flag, acc_mode, mode, pathname);
• ? ? ? ??filp = nameidata_to_filp(nd);//通過inode節點創建file
• ? ? ? ? ? ?__dentry_open()
• ? ? ? ? ? ? ?f->f_op =fops_get(inode->i_fop);

在__dentry_open()函數中有?

[cpp]?view plaincopy

if?(!open?&&?f->f_op)??

????open?=?f->f_op->open;??

if?(open)?{??

????error?=?open(inode,?f);??

????if?(error)??

????????goto?cleanup_all;??

}??

• 其中inode->i_fop在mknod的init_special_inode調用中被賦值為def_chr_fops。
• open(inode, f)即調用到chrdev_open。其可以看出是字符設備所對應的文件系統接口，我們姑且稱其為字符設備文件系統。

[cpp]?view plaincopy

const?struct?file_operations?def_chr_fops?=?{??

??.open?=?chrdev_open,??

};??

（4） 繼續分析chrdev_open

• Kobj_lookup(cdev_map,inode->i_rdev, &idx)即是通過設備的設備號（inode->i_rdev）在cdev_map中查找設備對應的操作集file_operations。
• 關于如何查找，我們在理解字符設備驅動如何注冊自己的file_operations后再回頭來分析這個問題。

五、字符設備驅動的注冊

（1）字符設備對應的結構體cdev

[cpp]?view plaincopy

struct?cdev???

{??

??struct?kobject?kobj;?//?每個?cdev?都是一個?kobject??

??struct?module*?owner;?//?指向實現驅動的模塊??

??const?struct?file_operations?*ops;?//?操縱這個字符設備文件的方法??

??struct?list_head?list;?//對應的字符設備文件的inode->i_devices?的鏈表頭??

??dev_t?dev;?//?起始設備編號??

??unsigned?int?count;?//?設備范圍號大小??

};??

（2）led設備驅動初始化和設備驅動注冊

• cdev_init是初始化cdev結構體，并將led_fops填入該結構。
• cdev_add函數

[cpp]?view plaincopy

int?cdev_add(struct?cdev?*p,?dev_t?dev,?unsigned?count)??

{??

??p->dev?=?dev;??

??p->count?=?count;??

??return?kobj_map(cdev_map,?dev,?count,?NULL,?exact_match,?exact_lock,?p);??

}??

• kobj_map函數
• （1）kobj_map函數使用hash散列表來存儲cdev數據結構（即存儲設備的信息）。
• （2）通過（注冊設備的主設備號major）來獲得cdev_map->probes數組的索引值i（i = major % 255）；
• （3）然后把一個類型為struct probe的節點對象加入到probes[i]所管理的鏈表中；
• （4）probes[i]->data即是cdev數據結構，而probes[i]->dev和range代表字符設備號和范圍。
• （5）其中參數cdev_map的類型如下：

六、再述open設備文件

? ?通過第五步的字符設備的注冊過程，應該很容易理解Kobj_lookup查找led_ops的過程（這里不寫）。

? ?至此，獲得led設備驅動的led_ops。

（1）接著調用file->f_ops->open來調用led_open

• 該函數中對led用到的GPIO進行ioremap，并設置GPIO方向、上下拉等硬件初始化。?

（2）最后chrdev_open一步步返回

• 最后到do_sys_open函數中的“struct file *f = do_filp_open(dfd, tmp, flags, mode, 0);”返回。
• fd_install(fd, f)，是在當前進程中將存有led_ops的file指針填入進程的file數組中，下標是fd。最后將fd返回給用戶空間。而用戶空間只要傳入fd即可找到對應的file數據結構。
  

七、設備操作

? ?這里以設備寫為例，主要是控制led的亮和滅。

? ?write(fd，val，1)系統調用后對應sys_write，其對應所有的文件寫，包括目錄、一般文件和設備文件。

? ?一般文件有位置偏移的概念，即讀寫之后，當前位置會發生變化，所以如要跳著讀寫，就需要fseek。對于字符設備文件，沒有位置的概念。因此重點跟蹤vfs_write的過程。

• fget_light，在當前進程中通過fd來獲得file指針；
• vfs_write

• 對于led設備，file->f_op->write即是led_write。在該接口中實現對led設備的控制。

八、再論字符設備驅動的初始化

綜上所述，字符設備的初始化包括兩個主要環節：

（1）字符設備驅動的注冊

• 即通過cdev_add向系統注冊cdev數據結構，提供file_operations操作集和設備號等信息，最終file_operations存放在全局指針變量cdev_map指向的Hash表中，其可以通過設備號索引并遍歷得到。

（2）創建屬性文件、設備文件

• 通過device_create(設備類，設備號，設備名)在“sys/class/設備類”中創建設備屬性文件并發送uevent事件，而mdev利用該信息自動調用mknod在/dev目錄下創建對應的設備文件，以便應用程序訪問。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux字符设备驱动剖析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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