5.4 Linux设备驱动分类

Linux系统将设备分为三个类：字符设备、块设备、网络设备，在这三大类中，字符设备相对比较简单，应用程序通过字符设备文件来访问字符设备，本讲主要介绍字符设备，如果对块设备和网络设备感兴趣的话，可以参看相关资料，并对其进行深入了解。

什么是字符设备？

字符设备是指只能一个字节一个字节进行读写操作的设备，不能随机读取设备中的某一数据、读取数据要按照先后顺序。字符设备是面向流的设备，常见的字符设备有鼠标、键盘、串口、控制台和LED等。

一般每个字符设备或者块设备都会在/dev目录下对应一个设备文件，并且每个设备文件都必须有主/次设备号，主设备号相同的设备是同类设备，使用同一个驱动程序。

Linux用户层程序通过设备文件来使用驱动程序操作字符设备或块设备。

可以通过

cat /proc/devices

命令查看当前已经加载的设备驱动程序的主设备号。

通过在/dev目录下执行命令

ls -l

可以看到所有设备文件的主设备号和次设备号：

对常见设备文件作如下说明：

点击查看详细内容

/dev/hd[a-t]：IDE设备

/dev/sd[a-z]：SCSI设备

/dev/fd[0-7]：标准软驱

/dev/md[0-31]：软raid设备

/dev/loop[0-7]：本地回环设备

/dev/mem：内存

/dev/null：无限数据接收设备,相当于黑洞

/dev/zero：无限零资源

/dev/tty[0-63]：虚拟终端

/dev/ttyS[0-3]：串口

/dev/lp[0-3]：并口

/dev/console：控制台

/dev/fb[0-31]：framebuffer

/dev/cdrom => /dev/hdc

/dev/modem => /dev/ttyS[0-9]

/dev/pilot => /dev/ttyS[0-9]

如何建立设备文件？

建立设备文件有两种方式，一是通过系统调用mknod()，编程中调用该函数可以建立一个新的设备文件名，另外一种就是通过mknod命令，命令的第一个参数为设备文件名，第二个参数为设备类型，比如c表示字符设备，第三、四个参数为设备文件的主设备号和次设备号，比如231和0。主设备号和次设备号合起来唯一的确定一个设备，同一个设备不同类型的主设备号是一样的，次设备号不同，比如一个硬盘的多个分区就有不同的次设备号，通过主设备号就可以把设备文件与驱动程序关联起来。

mknod filename type major minor

filename：要创建的设备文件名；
type：设备类型，c代表一个字符设备，b代表一个块设备；
major：主设备号；
minor：次设备号；

如何描述字符设备？

Linux内核中抽象出struct cdev结构体来表示一个字符设备，cdev 定义于 <linux/cdev.h> 中其中，其中最关键的是file_operations结构，它是实现字符设备的操作集。

struct cdev {
        struct kobject kobj;   //  内嵌内核对象
        struct module *owner;  //该字符设备所在的内核模块
        const struct file_operations *ops; //文件操作结构体
        struct list_head list;  //已注册字符设备链表
        dev_t dev; //由主、次设备号构成的设备号
        unsigned int count;//同一主设备号的次设备号的个数
};

Linux使用file_operations结构访问驱动程序的函数，这个结构的每一个成员的名字都对应着一个系统调用。

struct file_operations {
       struct module *owner;
       loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
       ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
       ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, 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);
       int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
       int (*open) (struct inode *, struct file *);
       int (*flush) (struct file *);
       int (*release) (struct inode *, struct file *);
       int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
       int (*fasync) (int, struct file *, int);
       int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
       ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,loff_t *);
       ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long,    loff_t *);
    };

用户进程利用在对设备文件进行诸如read，write操作的时候，系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取这个数据结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数，这是Linux的设备驱动程序工作的基本原理。

字符设备与文件系统的接口

如图，在Linux内核中，最左边，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虚拟文件系统VFS的接口函数，如常见的open()、read()、write()等,这些函数真正的操作硬件设备。

在上一个图的基础上我们看这个图，字符设备驱动程序是以内核模块的形式加载到内核中的，首先模块加载函数按静态或者动态方式获取设备号；然后字符设备初始化函数建立cdev与 file_operations之间的连接，通过注册函数向系统添加一个cdev以完成注册; 模块卸载时与加载对应，要注销cdev，并释放设备号。

在用户程序中，可以通过系统调用open(), read(), write()等调用驱动程序在内核中所实现的这些函数。这样用户态到内核驱动之间的通路就打通了。