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(gè)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(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)這種特性。字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(gè)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(duì)普通文件的訪問可以前后移動(dòng)訪問位置，而大多數(shù)字符設(shè)備是一個(gè)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(dòng)訪問位置。例如framebuffer就是這樣的一個(gè)設(shè)備，app可以用mmap或lseek訪問抓取的整個(gè)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(gè)號(hào)碼：主設(shè)備號(hào)5 ＋次設(shè)備號(hào)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(gè)或多個(gè)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(dòng)程序之間的軟件接口，而這些不同對(duì)用戶來講是透明的。在內(nèi)核中，和字符驅(qū)動(dòng)程序相比，塊驅(qū)動(dòng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)接口形成，網(wǎng)絡(luò)接口是一個(gè)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(gè)硬件設(shè)備，但也可能是個(gè)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(dòng)，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(dòng)程序不需要知道各個(gè)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(gè)唯一的名字（比如eth0），但這個(gè)名字在filesystem中不存在對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。內(nèi)核和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序間的通信，完全不同于內(nèi)核和字符以及塊驅(qū)動(dòng)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(huì)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(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。Linux內(nèi)核中有那么多驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用層怎么才能精確的調(diào)用到底層的驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來的。必須知道的基礎(chǔ)知識(shí)：

1．在Linux文件系統(tǒng)中，每個(gè)文件都用一個(gè)struct inode結(jié)構(gòu)體來描述，這個(gè)結(jié)構(gòu)體里面記錄了這個(gè)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(gè)驅(qū)動(dòng)程序在應(yīng)用層的／dev目錄下都會(huì)有一個(gè)設(shè)備文件和它對(duì)應(yīng)，并且該文件會(huì)有對(duì)應(yīng)的主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)。

3．在Linux操作系統(tǒng)中，每個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都要分配一個(gè)主設(shè)備號(hào)，字符設(shè)備的設(shè)備號(hào)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(hào)
unsigned int count；／／次設(shè)備號(hào)個(gè)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(huì)分配一個(gè)struct file結(jié)構(gòu)體來描述打開的這個(gè)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(huì)改變。而struct file描述的是動(dòng)態(tài)信息，即在對(duì)文件的操作的時(shí)候，struct file里面的信息經(jīng)常會(huì)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(gè)普通文件時(shí)f＿ops的值都會(huì)發(fā)生改變。

這幾個(gè)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(duì)應(yīng)的設(shè)備文件。也就是在這個(gè)打開的過程中，Linux內(nèi)核將應(yīng)用層和對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)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(duì)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(huì)分配一個(gè)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(hào)，可以找到對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。這里以字符設(shè)備為例。在Linux操作系統(tǒng)中每個(gè)字符設(shè)備有一個(gè)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(huì)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(huì)給應(yīng)用層返回一個(gè)文件描述符（fd）。這個(gè)fd是和struct file結(jié)構(gòu)體對(duì)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(dòng)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(cè)一個(gè)范圍（）的設(shè)備號(hào)
參數(shù)：
＠from 設(shè)備號(hào)
＠count 注冊(cè)的設(shè)備個(gè)數(shù)
＠name 設(shè)備的名字
返回值：
成功返回0，失敗返回錯(cuò)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(gè)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(hào)
＠count 次設(shè)備號(hào)個(gè)數(shù)
返回值：
成功返回0，失敗返回錯(cuò)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(gè)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(cè)或者分配設(shè)備號(hào)，并注冊(cè)fops到cdev結(jié)構(gòu)體，
如果major＞0，功能為注冊(cè)該主設(shè)備號(hào)，
如果major＝0，功能為動(dòng)態(tài)分配主設(shè)備號(hào)。
參數(shù)：
＠m(xù)ajor ： 主設(shè)備號(hào)
＠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(cuò)誤碼
如果major＝0 成功返回主設(shè)備號(hào)，失敗返回負(fù)的錯(cuò)誤碼

該函數(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)cdev的初始化和注冊(cè)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(duì)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