一、简介：

在Linux内核驱动中，字符设备是最基本的设备驱动。字符设备是能够像字节流（比如文件）一样被访问的设备，就是说对它的读写是以子为单位的。比如串口在进行收发数据时就是一个字节一个字节进行的。字符设备的驱动程序中实现了 open、close、read、wrie等系统调用，应用程序可以通过设备文件（比如dewAySAC0等）来访问字符设备。常见的串口、调制解调器都是字符设备。

二、重要的数据结构和函数

Linux操作系统将所有的设备（而不仅是存储器里的文件）都看成文件，以操作文件的方访问设备。应用程序不能直接操作硬件，而是使用统一的接口函数（如open、read、write等）调用硬件驱动程序。这组口被称为系统调用，在库函数中定义。

对于上述每个系统调用，驱动程序都有一个与之对应的函数。对于字符设备驱动程序而言，这些函数集合在一个file_operation的结构体中。在内核源码目录下\include\linux文件夹fs.h文件中定义。

struct file_operations {struct module *owner;loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);int (*open) (struct inode *, struct file *);int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);int (*release) (struct inode *, struct file *);int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);int (*fasync) (int, struct file *, int);int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);ssize_t (*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *);ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);int (*check_flags)(int);int (*dir_notify)(struct file *filp, unsigned long arg);int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
};

当应用程序使用open函数打开某个设备时，设备驱动程序的file_operations结构中的open成员就会被调用；当应用程序使用read、write、ioctl等函数读写、控制设备时，驱动程序的file_operations 结构中的相应成员（read、write、ioctl等）就会被调用。从这个角度来说，编写字符设备驱动程序就是为具体硬件的file_operations结构编写各个函数实体（并不需要全部实现file_operations结构中的成员）。
因此：设备节点是上层应用和底层驱动的桥梁！

（1）设备文件有主/次设备号。

在Linux系统中，所有的资源都是作为文件管理的，设备驱动也不例外，设备驱动通常是作为一类特殊的文件存放在/dev目录下。查看/dev目录得到系统所有设备的列表如下：

这里仅列出了一部分文件，设备文件属性最开始的一个字符c表示该设备文件关联的是一个字符设备；b表示关联的是一个块设备。在文件列表的中间部分有两个数字，第一个数字称做主设备号，第二个数字称做次设备号。如tty的主设备号为5，此设备号为0。

（2）注册字符类设备号的两种方法

（3）模块初始化时，将主设备号与file_operations结构一起向内核注册。
驱动程序有一个初始化函数，在安装驱动程序时会调用它。在初始化函数中，会将驱动程序的file_operations结构连同其主设备号一起向内核进行注册。对于字符设备使用如下以下函数进行注册：

extern int register_chrdev(unsigned int major , const char * name ,const struct file_operations * fops);

参数major是主设备号，name是设备名称，fops是指向函数指针数组的结构指针，驱动程序的入口函数都包括在这个指针内部。该函数的返回值如果小于0，表示注册设备驱动失败，如果设置major为0，表示由内核动态分配主设备号，函数的返回值是主设备号。
当使用register_chardev（）函数成功注册一个字符设备后，会在/proc/devices文件中显示出设备信息。

这样在打开一个设备的时候，内核会根据设备的主设备号得到设备驱动，并且把次设备号传递给驱动。Linux内核为所有设备都分配了主设备号，在编写驱动程序之前需要参考内核代码Documentation/devices.txt文件，确保使用的设备号没有被占用

三、开发字符设备的基本流程

1、设备号的申请与注销

note：

下面的方法已经逐渐废弃，因为指定了一个主设备号，会把这个主设备号所有的次设备号都占用，浪费资源！

2、注册字符类设备

定义一个cdev结构体

<include/linux/cdev.h>struct cdev { struct kobject kobj;                  //内嵌的内核对象.struct module *owner;                 //该字符设备所在的内核模块的对象指针.const struct file_operations *ops;    //该结构描述了字符设备所能实现的方法，是极为关键的一个结构体.struct list_head list;                //用来将已经向内核注册的所有字符设备形成链表.dev_t dev;                            //字符设备的设备号，由主设备号和次设备号构成.unsigned int count;                   //隶属于同一主设备号的次设备号的个数.
};

初始化cdev结构体

void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);

该函数主要对struct cdev结构体做初始化，最重要的就是建立cdev 和 file_operations之间的连接

向内核注册字符设备

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

3、创建设备节点

方法一、使用命令创建设备节点

方法二、自动创建设备节点

创建类函数调用后，会在/sys/class/目录下找到自己创建的类

三、开发一个基本的字符设备驱动

建立一个名为GilobalChar的虚拟设备，设备内部只有一个全局变量供用户操作。设备提供了读函数读取全局变量的值并且返回给用户，写函数把用户设定的值写入全局变量。

3.1、编写模块代码

/* GlobalCharDev.c */
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include </usr/src/linux-headers-4.15.0-60/include/linux/uaccess.h>
//copy_from_user  copy_to_userMODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("GongLei");#define DEV_NAME "GlobalChar"/*********函数声明*********/
static ssize_t GlobalRead(struct file *, char *, size_t, loff_t*);
static ssize_t GlobalWrite(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);static int char_major = 0;//主设备号为0，表示由内核自动分配主设备号
static int GlobalData = 0;  // "GlobalChar" 设备的全局变量//初始化字符设备驱动的file_operations结构体
struct file_operations globalchar_fops =
{.read = GlobalRead,.write = GlobalWrite
};/* 模块初始化函数  执行insmod命令时候执行这个函数 */
static int __init GlobalChar_init(void)
{int ret;ret = register_chrdev(char_major, DEV_NAME, &globalchar_fops);    // 注册设备驱动if (ret<0) {printk(KERN_ALERT "GlobalChar Reg Fail!\n");} else{printk(KERN_ALERT "GlobalChar Reg Success!\n");char_major = ret;printk(KERN_ALERT "Major = %d\n", char_major);}return ret;
}/* 模块卸载函数  执行rmmod命令时候执行这个函数 */
static void __exit GlobalChar_exit(void)
{unregister_chrdev(char_major, DEV_NAME);                       // 注销设备驱动return;
}/* 设备驱动读函数 */
static ssize_t GlobalRead(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{if (copy_to_user(buf, &GlobalData, sizeof(int))) {     // 从内核空间复制GlobalData到用户空间return -EFAULT;}return sizeof(int);
}/* 设备驱动写函数 */
static ssize_t GlobalWrite(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off)
{if (copy_from_user(&GlobalData, buf, sizeof(int))){    // 从用户空间复制GlobalData到内核空间return -EFAULT;}return sizeof(int);
}module_init(GlobalChar_init);
module_exit(GlobalChar_exit);

GlobalRead（）函数读取全局变量GlobalData，并且把数据复制到用户空间，GlobalWrite（）函数把用户空间的数值复制到全局变量GlobalData。在内核中操作数据要区分数据的来源，对于用户空间的数据要使用copy_from_user（）函数复制，使用copy_to_user（）函数回写，不能直接操作用户空间的数据，否则会产生内存访问错误。

static inline unsigned long _copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n)

static inline unsigned long _copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n)

3.2、编写Makefile代码

obj-m    += GlobalCharDev.o#ubuntu的内核源码树，如果要编译在ubuntu中安装的模块就打开这2个
KERN_VER = $(shell uname -r)
KERN_DIR = /lib/modules/$(KERN_VER)/build  all:make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules .PHONY: clean
clean:make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean

3.3、编译模块文件得到内核模块GlobalCharDev.ko，并通过insmod命令加载

3.4、查看内核为该模块分配的主设备号（在/proc/devices文件中）

3.5、使用mknod命令建立一个设备文件

-m参数指定所有的用户可以访问

四、测试字符设备驱动

/* GlobalCharTest.c */
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#define DEV_NAME "/dev/GlobalChar"int main()
{int fd, num;/* 打开设备文件 */fd = open(DEV_NAME, O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);if (fd<0) {printf("Open Deivec Fail!\n");return -1;}/* 读取当前设备数值 */read(fd, &num, sizeof(int));printf("The GlobalChar is %d\n", num);printf("Please input a number written to GlobalChar: ");scanf("%d", &num);/* 写入新的数值 */write(fd, &num, sizeof(int));/* 重新读取设备数值 */read(fd, &num, sizeof(int));printf("The GlobalChar is %d\n", num);close(fd);return 0;
}

REF:

《ARM嵌入式linux系统开发详解》

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