一、字符设备、字符设备驱动与用户空间访问该设备的程序三者之间的关系。
如图，在Linux内核中使用cdev结构体来描述字符设备，通过其成员dev_t来定义设备号（分为主、次设备号）以确定字符设备的唯一性。通过其成员file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数，如常见的open()、read()、write()等。
在Linux字符设备驱动中，模块加载函数通过register_chrdev_region( ) 或alloc_chrdev_region( )来静态或者动态获取设备号，通过cdev_init( )建立cdev与file_operations之间的连接，通过cdev_add( )向系统添加一个cdev以完成注册。模块卸载函数通过cdev_del( )来注销cdev，通过unregister_chrdev_region( )来释放设备号。
用户空间访问该设备的程序通过Linux系统调用，如open( )、read( )、write( )，来“调用”file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数。
二、字符设备驱动模型
（PS:神马情况！本地上传的图片，质量下降这么多）
1. 驱动初始化
1.1. 分配cdev
在2.6的内核中使用cdev结构体来描述字符设备，在驱动中分配cdev,主要是分配一个cdev结构体与申请设备号，以按键驱动为例：
1 /*……*/
2 /* 分配cdev*/
3 struct cdev btn_cdev;
4 /*……*/
5 /* 1.1 申请设备号*/
6 if(major){
7 //静态
8 dev_id = MKDEV(major, 0);
9 register_chrdev_region(dev_id, 1, "button");
10 } else {
11 //动态
12 alloc_chardev_region(&dev_id, 0, 1, "button");
13 major = MAJOR(dev_id);
14 }
15 /*……*/
从上面的代码可以看出，申请设备号有动静之分，其实设备号还有主次之分。
在Linux中以主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序。次编号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备。cdev 结构体的 dev_t 成员定义了设备号，为 32 位，其中高 12 位为主设备号，低20 位为次设备号。
设备号的获得与生成：
获得：主设备号：MAJOR(dev_t dev);
次设备号：MINOR(dev_t dev);
生成：MKDEV(int major,int minor);
设备号申请的动静之分：
静态：
1 int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)； 2 /*功能：申请使用从from开始的count 个设备号(主设备号不变，次设备号增加）*/
静态申请相对较简单，但是一旦驱动被广泛使用,这个随机选定的主设备号可能会导致设备号冲突，而使驱动程序无法注册。
动态：
1 int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name)； 2 /*功能：请求内核动态分配count个设备号，且次设备号从baseminor开始。*/
动态申请简单，易于驱动推广，但是无法在安装驱动前创建设备文件（因为安装前还没有分配到主设备号）。
1.2. 初始化cdev
1 void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *); 2 /* cdev_init()函数用于初始化 cdev 的成员，并建立 cdev 和 file_operations 之间的连接。*/
1.3. 注册cdev
1 int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned); 2 /*cdev_add()函数向系统添加一个 cdev，完成字符设备的注册。*/
1.4. 硬件初始化
硬件初始化主要是硬件资源的申请与配置，以mini2440的按键驱动为例：
1 s3c2410_gpio_cfg(S3C2410_GPG(0),S3C2410_GPIO_INPUT); 2 /* 3 void s3c2410_gpio_cfgpin(unsigned int pin, unsigned int function) 4 pin 是哪个引脚， function 是引脚模式 5 函数功能：是设置引脚模式 6 void s3c2410_gpio_setpin(unsigned int pin, unsigned int to); 7 unsigned int s3c2410_gpio_getpin(unsigned int pin); 8 */
2.实现设备操作
用户空间的程序以访问文件的形式访问字符设备，通常进行open、read、write、close等系统调用。而这些系统调用的最终落实则是file_operations结构体中成员函数，它们是字符设备驱动与内核的接口。以mini2440的按键驱动为例：
1 /*设备操作集合*/
2 static struct file_operations btn_fops = {
3 .owner = THIS_MODULE,
4 .open = button_open,
5 .release = button_close,
6 .read = button_read
7 };
上面代码中的button_open、button_close、button_read是要在驱动中自己实现的。file_operations结构体成员函数有很多个，下面就选几个常见的来展示：
2.1. open（）函数
原型：
1 int(*open)(struct inode *, struct file*); 2 /*打开*/
案例：
1 static int button_open(struct inode *inode, struct file *file){
2 unsigned long flags;
3 //获取分配好的私有数据结构的首地址
4 struct button_priv *pbtnp = container_of(inode->i_cdev,
5 struct button_priv,
6 btn_cdev);
7 /*
8 struct button_priv{
9 char *name;
10 strcut cdev btn_cdev;
11 }
12 container_of 是个宏定义。功能是通过结构体种某个变量的首地址，
13 就可得到这个结构体的首地址
14 */
15 //保存首地址到file->private_data
16 file->private_data = pbtnp;
17 if(down_interruptible(&pbtnp->sema)){
18 printk("Proccess is INT!\n");
19 return -EINTR;
20 }
21 printk("open button successfully !\n");
22 return 0;
23 }
2.2. read( )函数
原型：
1 ssize_t(*read)(struct file *, char __user*, size_t, loff_t*); 2 /*用来从设备中读取数据，成功时函数返回读取的字节数，出错时返回一个负值*/
案例：
1 static ssize_t button_read(struct file *file, char __user *buf,
2 size_t count, loff_t *ppos){
3 //获取首地址
4 struct button_priv *pbtnp = file->private_data;
5 //判断按键是否有操作，如果有，则读取键值并上报给用户；反之，则休眠
6 wait_event_interruptible(pbtnp->btn_wq, is_press != 0);
7 is_press = 0;
8 //上报键值
9 copy_to_user(buf, &key_value, sizeof(key_value));
10 return count;
11 }
12 /*参数：file是文件结构体指针，buf是用户空间内存的地址，该地址在内核空间不能直接读写，
13 count 是要读的字节数，ppos是读的位置相对于文件开头的偏移*/
2.3. write( )函数
原型：
1 ssize_t(*write)(struct file *, const char__user *, size_t, loff_t*); 2 /*向设备发送数据，成功时该函数返回写入的字节数。如果此函数未被实现， 3 当用户进行write()系统调用时，将得到-EINVAL返回值*/
案例：
1 static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf,
2 size_t size, loff_t *ppos){
3 unsigned long p = *ppos;
4 unsigned int count = size;
5 int ret = 0;
6 int *register_addr = filp->private_data; /*获取设备的寄存器地址*/
7 /*分析和获取有效的写长度*/
8 if (p >= 5*sizeof(int))
9 return 0;
10 if (count > 5*sizeof(int) - p)
11 count = 5*sizeof(int) - p;
12 /*从用户空间写入数据*/
13 if (copy_from_user(register_addr + p, buf, count))
14 ret = -EFAULT;
15 else {
16 *ppos += count;
17 ret = count;
18 }
19 return ret;
20 }
21 /*参数：filp是文件结构体指针，buf是用户空间内存的地址，该地址在内核空间不能直接读写，
22 count 是要读的字节数，ppos是读的位置相对于文件开头的偏移*/
2.4. close( )函数
原型：
1 int(*release)(struct inode *, struct file*); 2 /*关闭*/
案例：
1 static int button_close(struct inode *inode, struct file *file){
2 /* 1.获取首地址*/
3 struct button_priv *pbtnp = file->private_data;
4 up(&pbtnp->sema);
5 return 0;
6 }
2.5. 补充说明
1. 在Linux字符设备驱动程序设计中，有3种非常重要的数据结构：struct file、struct inode、struct file_operations。
struct file 代表一个打开的文件。系统中每个打开的文件在内核空间都有一个关联的struct file。它由内核在打开文件时创建, 在文件关闭后释放。其成员loff_t f_pos 表示文件读写位置。
struct inode 用来记录文件的物理上的信息。因此,它和代表打开文件的file结构是不同的。一个文件可以对应多个file结构,但只有一个inode结构。其成员dev_t i_rdev表示设备号。
struct file_operations 一个函数指针的集合，定义能在设备上进行的操作。结构中的成员指向驱动中的函数,这些函数实现一个特别的操作, 对于不支持的操作保留为NULL。
2. 在read( )和write( )中的buff 参数是用户空间指针。因此,它不能被内核代码直接引用，因为用户空间指针在内核空间时可能根本是无效的——没有那个地址的映射。因此，内核提供了专门的函数用于访问用户空间的指针：
1 unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count); 2 unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long count);
3. 驱动注销
3.1. 删除cdev
在字符设备驱动模块卸载函数中通过cdev_del()函数向系统删除一个cdev，完成字符设备的注销。
1 /*原型：*/ 2 void cdev_del(struct cdev *); 3 /*例：*/ 4 cdev_del(&btn_cdev);
3.2. 释放设备号
在调用cdev_del()函数从系统注销字符设备之后，unregister_chrdev_region()应该被调用以释放原先申请的设备号。
1 /*原型：*/ 2 void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count); 3 /*例：*/ 4 unregister_chrdev_region(MKDEV(major, 0), 1);
三、Linux字符设备驱动模板与案例
1. 字符设备驱动模块加载与卸载函数模板
在实际开发中，通常习惯为设备定义一个设备相关的结构体，其包含该设备所涉及到的cdev、私有数据及信号量等信息。
1 /*字符设备驱动模块加载与卸载函数模板*/
2 /* 设备结构体
3 struct xxx_dev_t {
4 struct cdev cdev;
5 ...
6 } xxx_dev;
7 /* 设备驱动模块加载函数
8 static int __init xxx_init(void) {
9 ...
10 cdev_init(&xxx_dev.cdev, &xxx_fops);/* 初始化cdev */
11 xxx_dev.cdev.owner = THIS_MODULE;
12 /* 获取字符设备号*/
13 if (xxx_major) {
14 register_chrdev_region(xxx_dev_no, 1,DEV_NAME);
15 } else {
16 alloc_chrdev_region(&xxx_dev_no, 0, 1,DEV_NAME);
17 }
18 ret = cdev_add(&xxx_dev.cdev,xxx_dev_no, 1); /* 注册设备*/
19 ...
20 }
21
22 /*设备驱动模块卸载函数*/
23 static void __exit xxx_exit(void) {
24 unregister_chrdev_region(xxx_dev_no, 1); /* 释放占用的设备号*/
25 cdev_del(&xxx_dev.cdev); /* 注销设备*/
26 ...
27 }
2.字符设备驱动读、写、IO控制函数模板
1 /*字符设备驱动读、写、IO控制函数模板*/
2 /* 读设备*/
3 ssize_t xxx_read(struct file *filp, char__user *buf,
4 size_t count,loff_t*f_pos) {
5 ...
6 copy_to_user(buf, ..., ...);
7 ...
8 }
9
10 /* 写设备*/
11 ssize_t xxx_write(struct file *filp, const char__user *buf,
12 size_t count,loff_t*f_pos) {
13 ...
14 copy_from_user(..., buf, ...);
15 ...
16 }
17
18 /* ioctl函数 */
19 int xxx_ioctl(struct inode *inode, struct file*filp,
20 unsigned int cmd, unsigned long arg) {
21 ...
22 switch(cmd) {
23 caseXXX_CMD1:
24 ...
25 break;
26 caseXXX_CMD2:
27 ...
28 break;
29 default:
30 /* 不能支持的命令 */
31 return - ENOTTY;
32 }
33 return 0;
34 }
在设备驱动的读、写函数中，filp是文件结构体指针，buf是用户空间内存的地址，该地址在内核空间不能直接读写，count 是要读的字节数，f_pos是读的位置相对于文件开头的偏移。
mini2440按键驱动实例
1 #include <linux/init.d>
2 #include <linux/module.h>
3 #include <linux/cdev>
4 #include <linux/fs.h>
5 #include <linux/types.h>
6 #include <linux/uaccess.h>
7 #include <linux/device.h>
8
9 #include <plat/gpio-cfg.h>
10 #include <asm/gpio.h>
11
12 static int major;
13 /* 分配cdev*/
14 struct cdev btn_cdev;
15
16 /* 记录按键值*/
17 static unsigned char key_value;
18
19 /* 2. 实现设备操作*/
20 /* 2.1 read*/
21 static ssize_t button_read(struct file *file, char __user *buf,
22 size_t count, loff_t *ppos) {
23 int status = 0;
24
25 //1. 获取GPIO的状态
26 status = s3c2410_gpio_getpin(S3C2410_GPG(0));
27
28 if(status == 1)
29 key_value = 0x50;
30 else
31 key_value = 0x51;
32
33 //2. 上报GPIO的状态
34 copy_to_user(buf, &key_value, sizeof(key_value));
35
36 return count;
37 }
38
39 /* 2.2 设备操作集合*/
40 static struct file_operations btn_fops = {
41 .owner = THIS_MODULE,
42 .read = button_read
43 };
44
45 //设备类
46 static struct class *btn_cls;
47
48 /* 1. 驱动初始化*/
49 static init button_init(void){
50 dev_t dev_id;
51 /* 1.1 申请设备号*/
52 if(major){
53 //静态
54 dev_id = MKDEV(major, 0);
55 register_chrdev_region(dev_id, 1, "button");
56 } else {
57 //动态
58 alloc_chardev_region(&dev_id, 0, 1, "button");
59 major = MAJOR(dev_id);
60 }
61
62 /* 1.2 初始化cdev*/
63 cdev_init(&btn_cdev, &btn_fops);
64
65 /* 1.3 注册cdev*/
66 cdev_add(&btn_cdev, dev_id, 1);
67
68 /* 1.4 自动创建设备节点*/
69 /* 1.4.1 创建设备类*/
70 //sys/class/button
71 btn_cls = class_create(THIS_MODULE, "button");
72 /* 1.4.2 创建设备节点*/
73 device_create(btn_cls, NULL, dev_id, NULL, "button");
74
75 /* 1.4 硬件初始化*/
76 s3c2410_gpio_cfgpin(S3C2410_GPG(0),S3C2410_GPIO_INPUT);
77 return 0;
78
79 }
80
81
82 /* 3. 驱动注销*/
83 static void button_exit(void){
84
85 /* 3.1 删除设备节点*/
86 device_destroy(btn_cls, MKDEV(major, 0));
87 class_destroy(btn_cls);
88
89 /* 3.2 删除cdev*/
90 cdev_del(&btn_cdev);
91
92 /* 3.3 释放设备号*/
93 unregister_chrdev_region(MKDEV(major, 0), 1);
94 }
95
96 module_init(button_init);
97 module_exit(button_exit);
98 MODULE_LICENSE("GPL v2");