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嵌入式系统第十讲字符设备和驱动程序设计

news 来源：原创 2025/7/23 10:54:32

• 字符设备是Linux三大设备之一（另外两种是块设备，网络设备）。

• 字符设备就是采用字节流形式通讯的I/O设备，绝大部分设备都是字符设备。

• 常见的字符设备包括鼠标、键盘、显示器、串口等等。

• 10.1 字符设备驱动框架

• cdev结构（c：字符，dev：设备）

– dev_t：设备号

– file_operations：文件操作

• read()

• write()

• ioctl()

• 等等

字符设备结构体

struct cdev {

struct kobject kobj;

struct module *owner;

const struct file_operations *ops;

struct list_head list;

dev_t dev;

unsigned int count;

};

文件操作结构体

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 **);};

• 10.2 字符设备驱动开发

• 10.2.1 设备号

– 查看主设备号和次设备号：

• ls-l /dev

– 查看已经加载了驱动程序的主设备号：

• cat /proc/devices

– 创建指定类型的设备文件：

• mknod /dev/lp0 c 6 0

– 1、设备号类型

• dev_t类型表示设备号：

– typedef __u32 __kernel_dev_t;

– typedef __kernel_dev_t dev_t;

• 操作dev_t的函数：

– #define MINORBITS 20

– #define MINORMASK((1U > MINORBITS))

– #define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))

– #define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

– 2、注册和注销设备号

• 动态申请设备号范围的函数：

– extern int alloc_chrdev_region(dev_t *, unsigned, unsigned, const char *);

• 申请设备号的函数（注册）：

– extern int register_chrdev_region(dev_t, unsigned, const char *);

• 释放设备号的函数（注销）：

– extern void unregister_chrdev_region(dev_t, unsigned);

• 10.2.2 关键数据结构

– 1、file_operations（文件操作结构体）

• 改变文件中的读写位置

– loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

• 从设备中读取数据

– ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);

• 向设备写数据

– ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);

• 对设备进行控制

– int(*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);

• 将设备内存映射到进程的地址空间

– int(*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

• 打开设备和初始化

– int(*open) (struct inode *, struct file *);

• 释放设备占用的内存并关闭设备

– int(*release) (struct inode *, struct file *);

file_operations结构体

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 **);};

– 2、file（文件结构体）（重要）

• 文件的读写模式

– fmode_t f_mode;

• 文件的当前读写位置

– loff_t f_pos;

• 文件标志

– unsigned int f_flags;

• 指向和文件关联的操作

– const struct file_operations *f_op;

• 指向已分配的数据

– void *private_data;

– 3、inode（索引节点对象结构体）

• 实际的设备号：

– dev_t i_rdev;

• 指向cdev设备的指针：

– struct cdev *i_cdev;

• 10.2.3 字符设备注册和注销

– 描述字符设备的结构体：cdev结构体

struct cdev {

struct kobject kobj;

struct module *owner;

const struct file_operations *ops; 文件操作

struct list_head list;

dev_t dev; 设备号

unsigned int count;

};

– 操作cdev结构体的一组函数：

• void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);
• struct cdev *cdev_alloc(void);
• void cdev_put(struct cdev *p);
• intcdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
• void cdev_del(struct cdev *);
• void cd_forget(struct inode *);
• extern struct backing_dev_info directly_mappable_cdev_bdi;

• 10.3 GPIO驱动概述（记）

• GPIO：General Purpose Input/Output，通用输入输出，可以对 GPIO进行编程，将GPIO的每一个引脚设为输入或输出，因此 GPIO也称为通用可编程接口。

• GPIO接口至少要有两个寄存器：

– 控制寄存器

– 数据寄存器

• GPIO的寄存器可以使用内存映射（将I/O当作内存看待，I/O与存储器统一编址，访问I/O与访问存储器一样），或者端口映射（I/O单独编址）。

• 如果使用内存映射，要向GPIO的寄存器A写入数据0xff，设寄存器A的地址为0x36000000，则使用以下代码：

• #define A (*(volatile unsigned long *)0x36000000)

• A = 0xff

• 10.4 串口总线概述（记）

• 10.4.1 SPI总线

– SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写。是 Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。主要应用于EEPROM、Flash、实时时钟、 A/D转换以及数字信号处理器和数字信号解码器。SPI的传输速率可达3Mb/s。

– SPI有两种工作模式：

• 主模式

• 从模式

– SPI有4条接口线：

• SDI（MISO）：Serial Data In，串行数据输入；

• SDO（MOSI）：Serial Data Out，串行数据输出；

• SCLK（SCK）：Serial Clock，时钟信号，由主设备产生；

• CS（SS）：Chip Select，从设备使能信号，由主设备控制。

• 10.4.2 I2C总线

– I2C（Inter Integrated-Circuit，IIC，I2C，内部集成电路）总线，是由PHILIPS公司在上世纪80年代发明的一种电路板级串行 总线标准，最初应用于音频和视频领域的设备开发。

– I2C总线有两根接口线：

• 数据线：SDA

• 时钟线：SCK，或SCL

– I2C总线在传输过程中有三种不同类型的信号：

• 开始信号

• 结束信号

• 应答信号

– I2C总线在标准模式下传输速率可达100kb/s，在快速模式下传输速率可达400kb/s，在高速模式下传输速率可达3.4Mb/s。

• 10.4.3 SMBus

– SMBus（System Management Bus，系统管理总线）是 1995年由Intel提出的，应用于移动PC和桌面PC系统中的低速率通讯。希望通过一条廉价并且功能强大的总线（由两条线组成），来控制主板上的设备并收集相应的信息。

– SMBus有两根接口线：

• 数据线：SMBDAT

• 时钟线：SMBCLK

– SMBus的传输率只有100kb/s，SMBus总线的特点是结构简单、造价低。