ARM Linux 驱动开发篇----字符设备驱动开发（1）--字符设备驱动简介---- Ubuntu20.04

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文章目录

前言

一、字符设备驱动简介

[二、file_operations 的结构体介绍](#二、file_operations 的结构体介绍)

总结

前言

我们之前学习 Ubuntu 操作系统、学习 ARM 裸机、学习系统移植，其目的就是为了
Linux 驱动开发，并逐步按照：三大类驱动开发进行介绍：字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动。本期博客正式开启字符设备驱动的介绍。

其中字符设备驱动是占用篇幅最大的一类驱动，因为字符设备最多，从最简单的点灯到 I2C、SPI、音频等都属于字符设备驱动的类型。

块设备和网络设备驱动要比字符设备驱动复杂，不过半导体厂商一般都会编写好，大多数情况下都是直接可以使用的。

块设备驱动就是存储器设备的驱动，比如 EMMC、NAND、SD 卡和 U 盘等存储设备，因为这些存储设备的特点是以存储块为基础，因此叫做块设备。

网络设备驱动就是网络驱动，不管是有线的还是无线的，都属于网络设备驱动的范畴。一个设备可以属于多种设备驱动类型，比如 USB WIFI，其使用 USB 接口，所以属于字符设备，但是其又能

上网，所以也属于网络设备驱动。

后续一系列实验使用的 Linux 内核版本为 4.1.15，所有实验均采用设备树。

一、字符设备驱动简介

字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的点灯、按键、IIC、SPI， LCD 等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。

在详细的学习字符设备驱动架构之前，我们先来简单的了解一下 Linux 下的应用程序是如何调用驱动程序的，Linux 应用程序对驱动程序的调用如下图所示：

在 Linux 中一切皆为文件，驱动加载成功以后会在"/dev"目录下生成一个相应的文件，应用程序通过对这个名为"/dev/xxx"(xxx 是具体的驱动文件名字)的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。

比如现在有个叫做/dev/led 的驱动文件，。应用程序使用 open 函数来打开文件/dev/led，使用完成以后使用 close 函数关闭/dev/led 这个文件。

如果要点亮或关闭 led，那么就使用 write 函数来操作，也就是向此驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是要打开 led 的控制参数。

如果要获取 led 灯的状态，就用 read 函数从驱动中读取相应的状态。

应用程序运行在用户空间，而 Linux 驱动属于内核的一部分，因此驱动运行于内核空间。

注意：当我们在用户空间想要实现对内核的操作，比如使用 open 函数打开/dev/led 这个驱动，我们必须使用一个叫做"系统调用"的方法来实现从用户空间"陷入"到内核空间，这样才能实现对底层驱动的操作。（因为用户空间不能直接对内核进行操作）

open、close、write 和 read 等这些函数是由 C 库提供的，当我们调用 open函数的时候流程如下图所示：

其中关于 C 库以及如何通过系统调用"陷入"到内核空间这个我们不用去管，我们重点关注的是应用程序和具体的驱动，应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数，比如应用程序中调用了 open 这个函数，那么在驱动程序中也得有一个名为 open 的函数。每一个系统调用，在驱动中都有与之对应的一个驱动函数

二、file_operations 的结构体介绍

在 Linux 内核文件 include/linux/fs.h 中有个叫做 file_operations 的结构体，此结构体就是 Linux 内核驱动操作函数集合，内容如下所示：

复制代码

1588 struct file_operations {
1589     struct module *owner;
1590     loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
1591     ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
1592     ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
1593     ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
1594     ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
1595     int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
1596     unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
1597     long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
1598     long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
1599     int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
1600     int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);
1601     int (*open) (struct inode *, struct file *);
1602     int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
1603     int (*release) (struct inode *, struct file *);
1604     int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
1605     int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
1606     int (*fasync) (int, struct file *, int);
1607     int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
1608     ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
1609     unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
1610     int (*check_flags)(int);
1611     int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
1612     ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
1613     ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
1614     int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
1615     long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset, loff_t len);
1616     void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
1617 #ifndef CONFIG_MMU
1618     unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
1619 #endif
1620 };

简单介绍一下 file_operation 结构体中比较重要的、常用的函数：

第 1589 行，owner 拥有该结构体的模块的指针，一般设置为 THIS_MODULE。

第 1590 行，llseek 函数用于修改文件当前的读写位置。

第 1591 行，read 函数用于读取设备文件。

第 1592 行，write 函数用于向设备文件写入(发送)数据。

第 1596 行，poll 是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。

第 1597 行，unlocked_ioctl 函数提供对于设备的控制功能，与应用程序中的 ioctl 函数对应。

第 1598 行，compat_ioctl 函数与 unlocked_ioctl 函数功能一样，区别在于在 64 位系统上， 32 位的应用程序调用将会使用此函数。在 32 位的系统上运行 32 位的应用程序调用的unlocked_ioctl。

第 1599 行，mmap 函数用于将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间)，一般帧缓冲设备会使用此函数，比如 LCD 驱动的显存，将帧缓冲(LCD 显存)映射到用户空间中以后应用

程序就可以直接操作显存了，这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。

第 1601 行，open 函数用于打开设备文件。

第 1603 行，release 函数用于释放(关闭)设备文件，与应用程序中的 close 函数对应。

第 1604 行，fasync 函数用于刷新待处理的数据，用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。

第 1605 行，aio_fsync 函数与 fasync 函数的功能类似，只是 aio_fsync 是异步刷新待处理的

数据。

在字符设备驱动开发中最常用的就是上面这些函数。