1. Linux字符设备是一种按字节来访问的设备，字符驱动则负责驱动字符设备，这样的驱动通常实现open、close、read和write系统调用。例如：串口、Led、按键等。
2. 通过字符设备文件（/dev/），应用程序可以使用相应的字符设备驱动来控制字符设备
3. 创建字符设备文件的方法一般有两种
（1）使用命令mknod : mknod /dev/文件名 c 主设备号 次设备号 （查看主设备号：cat /proc/devices）
（2）使用函数在驱动程序中创建
4. 字符设备通用设计模型
5. 在任何一种驱动模型中，设备都会用内核中的一种结构来描述。字符设备在内核中使用struct cdev来描述
struct cdev {
struct kobject kobj;
struct module *owner;
const struct file_operations *ops; //设备操作函数集
struct list_head list;
dev_t dev; //设备号
unsigned int count; //设备数
};
6. Linux内核中使用dev_t类型来定义设备号，dev_t其实质为32位unsigned int类型，其中高12位为主设备号，低20位为此设备号。
（1）MKDEV(主设备号，此设备号)
（2）MAJOR(dev_t dev)
（3）MINOR(dev_t dev)
注：字符设备文件与字符设备驱动是通过主设备号建立对应关系；驱动程序用此设备号来区分同类型的设备
7. 设备号的申请与注销
（1）静态申请：开发者自己选择一个数字作为主设备号，通过函数 register_chardev_region 向内核申请
（2）动态分配：使用 alloc_chrdev_region 由内核分配一个可用的主设备号（推荐使用）
（3）不论使用何种方法分配设备号，都应该在驱动退出时，使用 unregister_chrdev_region 函数释放这些设备
8. 操作函数集：struct file_operations是一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作。
9. 字符设备描述结构的分配、注册与注销
（1）cdev变量的定义可以采用静态和动态两种方法
* 静态分配：struct cdev mdev;
* 动态分配：struct cdev* pdev = cdev_alloc();(可以通过命令：cat /proc/devices查看主设备号)
（2）cdev变量的初始化使用cdev_init()函数来完成
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
cdev: 待初始化的cdev结构
fops: 设备对应的操作函数集
（3）字符设备的注册使用cdev_add()函数来完成
（4）字符设备的注销使用cdev_del()函数来完成
10. Linux驱动中几个重要的数据结构
（1）在Linux系统中，每一个打开的文件，在内核中都会关联一个struct file结构，它是由内核在打开文件时创建，在文件关闭后释放。
struct file结构中的重要成员
* struct file_operations* f_op; //文件操作函数集
* loff_t f_pos; //文件读写指针
（2）每一个存在于文件系统中的文件都会关联一个inode结构，该结构主要用来记录文件物理上的信息。因此，它和代表打开文件的file结构是不同的，一个文件没有被打开时不会关联file结构，但是会关联一个inode结构（存于磁盘，操作文件时在内存中建立相应的映射结构）
注：inode用于存储文件的元信息（除了文件名的所有信心），中文译名索引节点
11. 设备操作：struct file_operations
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 (*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 (*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);
int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
};
（1）open： int (*open) (struct inode *, struct file *);（打开设备，响应open系统调用）
open方法是驱动程序用来为以后的操作完成初始化准备工作的。在大部分驱动程序红，open主要完成以下工作：
* 标明次设备号
* 启动设备
（2）release： int (*release) (struct inode *, struct file *);（关闭设备，响应close系统调用）
（3）llseek： loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);（重定位读写指针，响应lseek系统调用）
（4）read：ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);（从设备读取数据，响应read系统调用）
① read设备方法通常完成两件事情
* 从设备中读取数据（属于硬件访问类操作）
* 将读取到的数据返回给应用程序
② ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp)
filp：与字符设备文件关联的file结构，由内核创建
buff：从设备文件读取到的数据，需要保存到的位置。由read系统调用提供该参数
count：请求传输的数据量，由read系统调用提供该参数
offp：文件的读写位置，由内核从file结构中取出后，传递进来
③ buff参数是来源于用户空间的指针，这类指针都不能被内核代码直接引用，必须使用专门的函数
int copy_from_user(void *to, const void __user *from, int n) int copy_to_user(void __user *to, const void *from, int n)
（5）write：ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);（向设备写入数据，响应write系统调用）
① write设备方法通常完成2件事情
* 从应用程序提供的地址中取出数据
* 将数据写入设备（属于硬件访问类操作）
② 其参数类似于read
12. 字符设备简单示例
①驱动程序 MemDev.c
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/slab.h>
/* We suppose this is the two device‘s registers */
int dev1_registers[5];
int dev2_registers[5];
struct cdev cdev;
dev_t devno;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);
if (num == 0)
filp->private_data = dev1_registers;
else if(num == 1)
filp->private_data = dev2_registers;
else
return -ENODEV; //无效的次设备号
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器基地址*/
/*判断读位置是否有效*/
if (p >= 5 * sizeof(int))
return 0;
if (count > 5 * sizeof(int) - p)
count = 5 * sizeof(int) - p;
/*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, register_addr + p, count))
{
ret = -EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;
}
return ret;
}
/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器地址*/
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= 5*sizeof(int))
return 0;
if (count > 5 * sizeof(int) - p)
count = 5 * sizeof(int) - p;
/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(register_addr + p, buf, count))
ret = -EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;
}
return ret;
}
/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
loff_t newpos;
switch(whence) {
case SEEK_SET:
newpos = offset;
break;
case SEEK_CUR:
newpos = filp->f_pos + offset;
break;
case SEEK_END:
newpos = 5 * sizeof(int) - 1 + offset;
break;
default:
return -EINVAL;
}
if ((newpos < 0) || (newpos > 5 * sizeof(int)))
return -EINVAL;
filp->f_pos = newpos;
return newpos;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.open = mem_open,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.llseek = mem_llseek,
.release = mem_release,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
/* 注册字符设备 */
alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
cdev_add(&cdev, devno, 2);
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
unregister_chrdev_region(devno, 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
②测试代码MemWrite.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
int fd = 0;
int src0[] = {0, 1, 2, 3, 4};
int src1[] = {10, 11, 12, 13, 14};
/*打开设备文件*/
fd = open("/dev/memdev0", O_RDWR);
/*写入数据*/
write(fd, src0, sizeof(src0));
/*关闭设备*/
close(fd);
fd = open("/dev/memdev1", O_RDWR);
/*写入数据*/
write(fd, src1, sizeof(src1));
/*关闭设备*/
close(fd);
return 0;
}
③测试代码MemRead.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main()
{
int fd = 0;
int dst = 0;
/*打开设备文件*/
fd = open("/dev/memdev0", O_RDWR);
lseek(fd, 2, SEEK_SET);
/*写入数据*/
read(fd, &dst, sizeof(int));
printf("dst0 is %d\n", dst);
/*关闭设备*/
close(fd);
/*打开设备文件*/
fd = open("/dev/memdev1", O_RDWR);
lseek(fd, 3, SEEK_SET);
/*写入数据*/
read(fd, &dst, sizeof(int));
printf("dst1 is %d\n", dst);
/*关闭设备*/
close(fd);
return 0;
}
④ 测试步骤
（1）安装驱动模块：insmod MemDev.ko
（2）查看主设备号：cat /proc/devices（查找memdev对应的主设备号）
（3）创建设备文件：mknod /dev/memdev0 c 主设备号 0
（4）运行测试代码进行测试
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