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一、应用层的程序

很简单，open设备文件，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);//打开设备
write(fd,val,1);//写入设备，这里代表LED全亮
close(fd);//关闭设备
return 0;
}

二、/dev目录、文件系统

三、设备文件的创建

（1）/dev目录下的设备文件基本上都是通过mdev来动态创建的。mdev是一个用户态的应用程序，位于busybox工具箱中。其创建过程包括：

驱动初始化或者总线匹配后，会调用驱动的probe接口。该接口会调用device_create(设备类, 设备号, 设备名)，在“/sys/class/设备类”目录生成唯一的设备属性文件（包括设备号和设备名等信息），并且发送uvent事件（KOBJ_ADD和环境变量，如路径等信息）到用户空间（通过socket方式）。
mdev是一个work_thread线程，收到事件后会分析“/sys/class/设备类”的对应文件，最终调用mknod动态来创建设备文件。
设备文件内容主要是设备号（这个设备文件对应的inode，会记录文件的属性是一个设备（其他属性还包括目录，一般文件，符号链接等））。
应用程序open最重要的一步就是（通过文件系统接口）获得该设备文件的内容，即设备号。

（2）如果初始化过程中没有调用device_create接口来创建设备文件，则需要手动通过命令行调用mknod接口来创建设备文件。

（3）mknod接口分析

四、open设备文件

（1）open设备文件，是为了获取（该设备驱动的）file_operations操作集。

该接口集是struct file的成员，open返回file数据结构指针：

[cpp] view plaincopy

struct file
{
const struct file_operations *f_op;
unsigned int f_flags;//可读，可写等
…
};

（2）以下是led设备驱动的操作接口。open("/dev/LED",O_RDWR)就是为了获得led_fops。

[cpp] view plaincopy

static const struct file_operations led_fops = {
.owner =THIS_MODULE,
.open =led_open,
.write = led_write,
};

仔细看应用程序int fd =open("/dev/LED",O_RDWR)，open的返回值是int，并不是file，其实是为了操作系统和安全考虑。
fd位于应用层，而file位于内核层，它们都同属进程相关概念。
在linux中，同一个文件（对应于唯一的inode）可以被不同的进程打开多次，而每次打开都会获得file数据结构。
每个进程都会维护一个已经打开的file数组，fd就是对应file结构的数组下标。因此，file和fd在进程范围内是一一对应的关系。

（3）open接口分析

通过系统调用后对应调用sys_open，其是vfs层的接口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返回时nd->dentry即为搜索路径文件名的起点
link_path_walk(pathname, &nd);//link_path_walk一步步建立打开路径的各个目录的dentry和inode
do_last(&nd, &path, open_flag, acc_mode, mode, pathname);
filp = nameidata_to_filp(nd);//通过inode节点创建file
__dentry_open()
f->f_op =fops_get(inode->i_fop);

在__dentry_open()函数中有

[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调用中被赋值为def_chr_fops。
open(inode, f)即调用到chrdev_open。其可以看出是字符设备所对应的文件系统接口，我们姑且称其为字符设备文件系统。

[cpp] view plaincopy

const struct file_operations def_chr_fops = {
.open = chrdev_open,
};

（4）继续分析chrdev_open

Kobj_lookup(cdev_map,inode->i_rdev, &idx)即是通过设备的设备号（inode->i_rdev）在cdev_map中查找设备对应的操作集file_operations。
关于如何查找，我们在理解字符设备驱动如何注册自己的file_operations后再回头来分析这个问题。

五、字符设备驱动的注册

（1）字符设备对应的结构体cdev

[cpp] view plaincopy

struct cdev
{
struct kobject kobj; // 每个 cdev 都是一个 kobject
struct module* owner; // 指向实现驱动的模块
const struct file_operations *ops; // 操纵这个字符设备文件的方法
struct list_head list; //对应的字符设备文件的inode->i_devices 的链表头
dev_t dev; // 起始设备编号
unsigned int count; // 设备范围号大小
};

（2）led设备驱动初始化和设备驱动注册

cdev_init是初始化cdev结构体，并将led_fops填入该结构。
cdev_add函数

[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函数
（1）kobj_map函数使用hash散列表来存储cdev数据结构（即存储设备的信息）。
（2）通过（注册设备的主设备号major）来获得cdev_map->probes数组的索引值i（i = major % 255）；
（3）然后把一个类型为struct probe的节点对象加入到probes[i]所管理的链表中；
（4）probes[i]->data即是cdev数据结构，而probes[i]->dev和range代表字符设备号和范围。
（5）其中参数cdev_map的类型如下：

六、再述open设备文件

通过第五步的字符设备的注册过程，应该很容易理解Kobj_lookup查找led_ops的过程（这里不写）。

至此，获得led设备驱动的led_ops。

（1）接着调用file->f_ops->open来调用led_open

该函数中对led用到的GPIO进行ioremap，并设置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函数中的“struct file *f = do_filp_open(dfd, tmp, flags, mode, 0);”返回。
fd_install(fd, f)，是在当前进程中将存有led_ops的file指针填入进程的file数组中，下标是fd。最后将fd返回给用户空间。而用户空间只要传入fd即可找到对应的file数据结构。

七、设备操作

这里以设备写为例，主要是控制led的亮和灭。

write(fd，val，1)系统调用后对应sys_write，其对应所有的文件写，包括目录、一般文件和设备文件。

一般文件有位置偏移的概念，即读写之后，当前位置会发生变化，所以如要跳着读写，就需要fseek。对于字符设备文件，没有位置的概念。因此重点跟踪vfs_write的过程。

fget_light，在当前进程中通过fd来获得file指针；
vfs_write

对于led设备，file->f_op->write即是led_write。在该接口中实现对led设备的控制。

八、再论字符设备驱动的初始化

综上所述，字符设备的初始化包括两个主要环节：

（1）字符设备驱动的注册

即通过cdev_add向系统注册cdev数据结构，提供file_operations操作集和设备号等信息，最终file_operations存放在全局指针变量cdev_map指向的Hash表中，其可以通过设备号索引并遍历得到。

（2）创建属性文件、设备文件

通过device_create(设备类，设备号，设备名)在“sys/class/设备类”中创建设备属性文件并发送uevent事件，而mdev利用该信息自动调用mknod在/dev目录下创建对应的设备文件，以便应用程序访问。

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Linux字符设备驱动剖析

一、应用层的程序

二、/dev目录、文件系统

三、设备文件的创建

四、open设备文件

五、字符设备驱动的注册

六、再述open设备文件

七、设备操作

八、再论字符设备驱动的初始化

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