一、Linux設(shè)備分類

Linux系統(tǒng)為了管理方便，將設(shè)備分成三種基本類型：

字符設(shè)備塊設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備字符設(shè)備：

字符（char）設(shè)備是個能夠像字節(jié)流（類似文件）一樣被訪問的設(shè)備，由字符設(shè)備驅(qū)動程序來實(shí)現(xiàn)這種特性。字符設(shè)備驅(qū)動程序通常至少要實(shí)現(xiàn)open、close、read和write的系統(tǒng)調(diào)用。

字符終端（／dev／console）和串口（／dev／ttyS0以及類似設(shè)備）就是兩個字符設(shè)備，它們能很好的說明“流”這種抽象概念。

字符設(shè)備可以通過文件節(jié)點(diǎn)來訪問，比如／dev／tty1和／dev／lp0等。這些設(shè)備文件和普通文件之間的唯一差別在于對普通文件的訪問可以前后移動訪問位置，而大多數(shù)字符設(shè)備是一個只能順序訪問的數(shù)據(jù)通道。然而，也存在具有數(shù)據(jù)區(qū)特性的字符設(shè)備，訪問它們時(shí)可前后移動訪問位置。例如framebuffer就是這樣的一個設(shè)備，app可以用mmap或lseek訪問抓取的整個圖像。

在／dev下執(zhí)行l(wèi)s －l ，可以看到很多創(chuàng)建好的設(shè)備節(jié)點(diǎn)：

字符設(shè)備文件（類型為c），設(shè)備文件是沒有文件大小的，取而代之的是兩個號碼：主設(shè)備號5 ＋次設(shè)備號1 。

塊設(shè)備：

和字符設(shè)備類似，塊設(shè)備也是通過／dev目錄下的文件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)來訪問。塊設(shè)備（例如磁盤）上能夠容納filesystem。在大多數(shù)的Unix系統(tǒng)中，進(jìn)行I／O操作時(shí)塊設(shè)備每次只能傳輸一個或多個完整的塊，而每塊包含512字節(jié)（或2的更高次冪字節(jié)的數(shù)據(jù)）。

Linux可以讓app像字符設(shè)備一樣地讀寫塊設(shè)備，允許一次傳遞任意多字節(jié)的數(shù)據(jù)。因此，塊設(shè)備和字符設(shè)備的區(qū)別僅僅在于內(nèi)核內(nèi)部管理數(shù)據(jù)的方式，也就是內(nèi)核及驅(qū)動程序之間的軟件接口，而這些不同對用戶來講是透明的。在內(nèi)核中，和字符驅(qū)動程序相比，塊驅(qū)動程序具有完全不同的接口。

塊設(shè)備文件（類型為b）：

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：

任何網(wǎng)絡(luò)事物都需要經(jīng)過一個網(wǎng)絡(luò)接口形成，網(wǎng)絡(luò)接口是一個能夠和其他主機(jī)交換數(shù)據(jù)的設(shè)備。接口通常是一個硬件設(shè)備，但也可能是個純軟件設(shè)備，比如回環(huán)（loopback）接口。

網(wǎng)絡(luò)接口由內(nèi)核中的網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)驅(qū)動，負(fù)責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。許多網(wǎng)絡(luò)連接（尤其是使用TCP協(xié)議的連接）是面向流的，但網(wǎng)絡(luò)設(shè)備卻圍繞數(shù)據(jù)包的傳送和接收而設(shè)計(jì)。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序不需要知道各個連接的相關(guān)信息，它只要處理數(shù)據(jù)包即可。

由于不是面向流的設(shè)備，因此將網(wǎng)絡(luò)接口映射到filesystem中的節(jié)點(diǎn)（比如／dev／tty1）比較困難。

Unix訪問網(wǎng)絡(luò)接口的方法仍然是給它們分配一個唯一的名字（比如eth0），但這個名字在filesystem中不存在對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序間的通信，完全不同于內(nèi)核和字符以及塊驅(qū)動程序之間的通信，內(nèi)核調(diào)用一套和數(shù)據(jù)包相關(guān)的函數(shù)socket，也叫套接字。

查看網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用命令ifconfig：

二、字符設(shè)備架構(gòu)是如何實(shí)現(xiàn)的？

在Linux的世界里面一切皆文件，所有的硬件設(shè)備操作到應(yīng)用層都會被抽象成文件的操作。我們知道如果應(yīng)用層要訪問硬件設(shè)備，它必定要調(diào)用到硬件對應(yīng)的驅(qū)動程序。Linux內(nèi)核中有那么多驅(qū)動程序，應(yīng)用層怎么才能精確的調(diào)用到底層的驅(qū)動程序呢？

在這里我們字符設(shè)備為例，來看一下應(yīng)用程序是如何和底層驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來的。必須知道的基礎(chǔ)知識：

1．在Linux文件系統(tǒng)中，每個文件都用一個struct inode結(jié)構(gòu)體來描述，這個結(jié)構(gòu)體里面記錄了這個文件的所有信息，例如：文件類型，訪問權(quán)限等。

2．在Linux操作系統(tǒng)中，每個驅(qū)動程序在應(yīng)用層的／dev目錄下都會有一個設(shè)備文件和它對應(yīng)，并且該文件會有對應(yīng)的主設(shè)備號和次設(shè)備號。

3．在Linux操作系統(tǒng)中，每個驅(qū)動程序都要分配一個主設(shè)備號，字符設(shè)備的設(shè)備號保存在struct cdev結(jié)構(gòu)體中。

struct cdev ｛
struct kobject kobj；
struct module ＊owner；
const struct file＿operations ＊ops；／／接口函數(shù)集合
struct list＿h(yuǎn)ead list；／／內(nèi)核鏈表
dev＿t dev； ／／設(shè)備號
unsigned int count；／／次設(shè)備號個數(shù)
｝；
4．在Linux操作系統(tǒng)中，每打開一次文件，Linux操作系統(tǒng)在VFS層都會分配一個struct file結(jié)構(gòu)體來描述打開的這個文件。該結(jié)構(gòu)體用于維護(hù)文件打開權(quán)限、文件指針偏移值、私有內(nèi)存地址等信息。

注意：

常常我們認(rèn)為struct inode描述的是文件的靜態(tài)信息，即這些信息很少會改變。而struct file描述的是動態(tài)信息，即在對文件的操作的時(shí)候，struct file里面的信息經(jīng)常會發(fā)生變化。典型的是struct file結(jié)構(gòu)體里面的f＿pos（記錄當(dāng)前文件的位移量），每次讀寫一個普通文件時(shí)f＿ops的值都會發(fā)生改變。

這幾個結(jié)構(gòu)體關(guān)系如下圖所示：

通過上圖我們可以知道，如果想訪問底層設(shè)備，就必須打開對應(yīng)的設(shè)備文件。也就是在這個打開的過程中，Linux內(nèi)核將應(yīng)用層和對應(yīng)的驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來。

1．當(dāng)open函數(shù)打開設(shè)備文件時(shí)，可以根據(jù)設(shè)備文件對應(yīng)的struct inode結(jié)構(gòu)體描述的信息，可以知道接下來要操作的設(shè)備類型（字符設(shè)備還是塊設(shè)備）。還會分配一個struct file結(jié)構(gòu)體。

2．根據(jù)struct inode結(jié)構(gòu)體里面記錄的設(shè)備號，可以找到對應(yīng)的驅(qū)動程序。這里以字符設(shè)備為例。在Linux操作系統(tǒng)中每個字符設(shè)備有一個struct cdev結(jié)構(gòu)體。此結(jié)構(gòu)體描述了字符設(shè)備所有的信息，其中最重要一項(xiàng)的就是字符設(shè)備的操作函數(shù)接口。

3．找到struct cdev結(jié)構(gòu)體后，Linux內(nèi)核就會將struct cdev結(jié)構(gòu)體所在的內(nèi)存空間首地記錄在struct inode結(jié)構(gòu)體的i＿cdev成員中。將struct cdev結(jié)構(gòu)體的中記錄的函數(shù)操作接口地址記錄在struct file結(jié)構(gòu)體的f＿op成員中。

4．任務(wù)完成，VFS層會給應(yīng)用層返回一個文件描述符（fd）。這個fd是和struct file結(jié)構(gòu)體對應(yīng)的。接下來上層的應(yīng)用程序就可以通過fd來找到strut file，然后在由struct file找到操作字符設(shè)備的函數(shù)接口了。

三、字符驅(qū)動相關(guān)函數(shù)分析＊

＊ cdev＿init（） － initialize a cdev structure
＊ ＠cdev： the structure to initialize
＊ ＠fops： the file＿operations for this device
＊
＊ Initializes ＠cdev， remembering ＠fops， making it ready to add to the
＊ system with cdev＿add（）．

void cdev＿init（struct cdev ＊cdev， const struct file＿operations ＊fops）
功能：
初始化cdev結(jié)構(gòu)體
參數(shù)：
＠cdev cdev結(jié)構(gòu)體地址
＠fops 操作字符設(shè)備的函數(shù)接口地址
返回值：
無
＊
＊ register＿chrdev＿region（） － register a range of device numbers
＊ ＠from： the first in the desired range of device numbers； must include
＊ the major number．
＊ ＠count： the number of consecutive device numbers required
＊ ＠name： the name of the device or driver．
＊
＊ Return value is zero on success， a negative error code on failure．

int register＿chrdev＿region（dev＿t from， unsigned count， const char ＊name）
功能：
注冊一個范圍（）的設(shè)備號
參數(shù)：
＠from 設(shè)備號
＠count 注冊的設(shè)備個數(shù)
＠name 設(shè)備的名字
返回值：
成功返回0，失敗返回錯誤碼（負(fù)數(shù)）
＊
＊ cdev＿add（） － add a char device to the system
＊ ＠p： the cdev structure for the device
＊ ＠dev： the first device number for which this device is responsible
＊ ＠count： the number of consecutive minor numbers corresponding to this
＊ device
＊
＊ cdev＿add（） adds the device represented by ＠p to the system， making it
＊ live immediately． A negative error code is returned on failure．

int cdev＿add（struct cdev ＊p， dev＿t dev， unsigned count）
功能：
添加一個字符設(shè)備到操作系統(tǒng)
參數(shù)：
＠p cdev結(jié)構(gòu)體地址
＠dev 設(shè)備號
＠count 次設(shè)備號個數(shù)
返回值：
成功返回0，失敗返回錯誤碼（負(fù)數(shù)）
＊
＊ cdev＿del（） － remove a cdev from the system
＊ ＠p： the cdev structure to be removed
＊
＊ cdev＿del（） removes ＠p from the system， possibly freeing the structure
＊ itself．

void cdev＿del（struct cdev ＊p）
功能：
從系統(tǒng)中刪除一個字符設(shè)備
參數(shù)：
＠p cdev結(jié)構(gòu)體地址
返回值：
無
static inline int register＿chrdev（unsigned int major， const char ＊name，
const struct file＿operations ＊fops）
功能：
注冊或者分配設(shè)備號，并注冊fops到cdev結(jié)構(gòu)體，
如果major＞0，功能為注冊該主設(shè)備號，
如果major＝0，功能為動態(tài)分配主設(shè)備號。
參數(shù)：
＠m(xù)ajor ： 主設(shè)備號
＠name ： 設(shè)備名稱，執(zhí)行 cat ／proc／devices顯示的名稱
＠fops ： 文件系統(tǒng)的接口指針
返回值
如果major＞0 成功返回0，失敗返回負(fù)的錯誤碼
如果major＝0 成功返回主設(shè)備號，失敗返回負(fù)的錯誤碼

該函數(shù)實(shí)現(xiàn)了對cdev的初始化和注冊的封裝，所以調(diào)用該函數(shù)之后就不需要自己操作cdev了。

相對的注銷函數(shù)為unregister＿chrdev

static inline void unregister＿chrdev（unsigned int major， const char ＊name）

審核編輯：符乾江