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linux字符設備有：1、鼠標，是計算機的一種外接輸入設備，也是計算機顯示系統(tǒng)縱橫坐標定位的指示器；2、鍵盤，是用于操作計算機設備運行的一種指令和數(shù)據(jù)輸入裝置；3、串行端口終端，使用計算機串行端口連接的終端設備；4、控制終端；5、控制臺等。
本教程操作環(huán)境：linux7.3系統(tǒng)、Dell G3電腦。
linux字符設備
字符設備是Linux三大設備之一（另外兩種是塊設備，網(wǎng)絡設備）。它們均以一個文件節(jié)點形式顯示在文件系統(tǒng)的/dev目錄下(crw–w—- 1 root tty 4， 0 7月 11 09:11 tty0 其中c代表字符設備類型)。
字符設備是指設備無需緩沖即可直接進行讀寫的設備， 如鼠標，鍵盤，串口設備、調制解調器等， 它與塊設備的區(qū)別在于是字符操作的基本單位是字節(jié)。
字符設備的分類
字符設備主要包括控制終端設備和串行終端設備， 例如控制臺和鍵盤。依據(jù)功能和硬件上的差別， 字符終端設備有如下分類:
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串行端口終端(/dev/ttSn)：使用計算機串行端口連接的終端設備， 串行設備數(shù)據(jù)傳輸方式為同一字符8個bit單線傳輸， 在命令行輸入 echo 'hello world' > /dev/ttyS0可將輸入寫入到對應設備。
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偽終端(/dev/ttyp，/dev/ptyp): 對應底層不存在真實的硬件設備， 用于為其他程序提供終端式樣的接口，如網(wǎng)絡登陸主機時網(wǎng)絡服務器和shell程序之間的終端接口。
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控制終端(/dev/tty)：主設備號為5， 進程控制終端，與進程相關聯(lián)，如登陸shell進程使用的就是終端/dev/tty。
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控制臺(/dev/ttyn，/dev/consol): 計算機輸入輸出的顯示器，當控制臺登陸時， 使用的就是tty1， 而ubuntu 圖形界面使用的tty7。
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其他類型：現(xiàn)行的linux針對許多不同的設備建有許多其他種類的設備特殊文件，如ISIDIN設備的/dev/ttyIn設備。
字符設備的性質及特點
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字符設備屬于設備文件系統(tǒng)的一種， 相當于底層硬件向上層提供的邏輯設備文件， 宛如將一個數(shù)據(jù)端口(數(shù)據(jù)寄存器)與一個文件對接起來，設備驅動程序直接對文件操作， 于是便直接對端口進行了讀寫操作。 同樣作為文件， 字符設備驅動也必須實現(xiàn)文件的基本的操作open()，close()，write()，read()等，當然終端重定向操作也是支持的。
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字符設備文件文件的讀寫是以單個字節(jié)為單位的， 不需要設立硬件緩沖區(qū)。 設備像訪問字節(jié)流一樣被操作系統(tǒng)訪問。 字節(jié)流就像在硬件端口和文件系統(tǒng)搭建起了一個傳送管道， 字節(jié)逐個通過管道傳輸并呈現(xiàn)給讀寫雙方。 這個流特性在驅動程序中是以緩沖隊列來實現(xiàn)的。例如: 控制臺的結構體中的讀寫緩沖隊列
struct tty_struct { struct termios termios; int pgrp; int stopped; void (*write)(struct tty_struct * tty); struct tty_queue read_q; //讀隊列 struct tty_queue write_q; //寫隊列 struct tty_queue secondary; //tty輔助隊列(存放規(guī)格化后的字符) };
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字符設備由字符設備號標識。字符設備號由主設備號和次設備號構成， 例如/dev/ttyS0的設備號為(4，64); 主設備號標識設備對應驅動程序， 內核通過主設備號將設備和驅動程序一一對應起來， 次設備號由驅動程序使用， 用于驅動程序內部區(qū)分設備細節(jié)差別使用的代碼，內核其他部分不使用它。
字符設備在應用層如何體現(xiàn)
cat /proc/devices 命令可以查看當前系統(tǒng)中所有的字符設備和塊設備。
在Linux 中一切接文件，設備也被抽象成文件，在/dev/ 目錄下可以查看到字符設備和塊設備的對應的文件。
例如這是兩個串口設備文件，使用ls -l 查看它的詳細信息。
與普通文件不同的是設備文件沒有大小，而是被替換成了設備號（主設備號和次設備號），設備號可以與/proc/devices 中的信息相對應。
如何訪問一個設備？
既然它被抽象成了一個文件，那么自然就用文件IO (open、read、write 等等) 來訪問。
設備號
dev_t dev = MKDEV(major,minor)major = MAJOR(dev)minor = MINOR(dev)
設備號由major和minor 組成，總共32位，高12位為major，低20位為minor。每一個設備號都唯一對應著一個cdev結構體。
注冊字符設備首先要申請設備號，可以一次批量的申請多個設備號（相同的major，依次遞增的minor）。
如果沒有指定主設備號的話就使用如下函數(shù)來申請設備號：int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
baseminor：起始的minor值。
count：一共申請幾個設備號。申請到的設備號在(MKDEV(major,baseminor) ~ MKDEV(major,baseminor+count)) 范圍內。
（自動申請設備號的原理，其實是傳遞一個major = 0，然后由內核分配一個空閑的設備號返回）
如果給定了設備的主設備號和次設備號就使用如下所示函數(shù)來注冊設備號即可：int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
釋放設備號：void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
字符設備結構體 cdev
//include/linux/cdev.h struct cdev { struct kobject kobj; struct module *owner; const struct file_operations *ops; struct list_head list; dev_t dev; unsigned int count; };
常用
申請一個cdev 內存：struct cdev *cdev_alloc(void);
初始化cdev->ops，即cdev->ops = &xxx_file_operation; ：void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);
將填充好的cdev 實例，添加到cdev 鏈表。意味著向內核注冊一個字符設備：int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned); //dev_t：添加cdev時必須要，傳遞一個dev_t，并且它與cdev是唯一對應的。
cdev_add 添加過程中會綁定cdev 與dev_t。
從內核刪除一個字符設備：void cdev_del(struct cdev *);
不常用
增加cdev 調用計數(shù)：void cdev_put(struct cdev *p);
總結：注冊字符設備的主要流程就是，申請設備號dev_t，創(chuàng)建一個cdev、初始化cdev (cdev->ops)、向內核添加 cdev（同時會綁定cdev 與dev_t）。
如果你嫌這些步驟太麻煩的話，內核還提供了一個函數(shù)可以一步到位的注冊字符設備——__register_chrdev
它會申請多個設備號，創(chuàng)建cdev并初始化它，然后用這多個設備號綁定同一個cdev 注冊。
還有一個register_chrdev，它是對__register_chrdev 的封裝，次設備號從基值0開始，直接申請了256 個次設備號。static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops) { return __register_chrdev(major, 0, 256, name, fops); }
struct file_operations
字符設備在/dev/ 目錄下創(chuàng)建設備文件，并通過struct file_operations 向應用層提供控制接口。應用層對應的open、read 等函數(shù)會調用到file_operations 對應的函數(shù)。
//include/linux/fs.h 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 (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *); ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *); int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); 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 (*mremap)(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 *, loff_t, loff_t, 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 **, void **); long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset, loff_t len); void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f); #ifndef CONFIG_MMU unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *); #endif };
copy_to_user() 與 copy_from_user()
為了安全考慮，應用進程不能直接訪問內核數(shù)據(jù)，需要借助這兩個函數(shù)拷貝：static inline int copy_to_user(void __user volatile *to, const void *from, unsigned long n)static inline int copy_from_user(void *to, const void __user volatile *from, unsigned long n)
返回非0 表示錯誤。
自動創(chuàng)建設備文件
自動創(chuàng)建設備節(jié)點的工作是在驅動程序的入口函數(shù)中完成的，一般在 cdev_add 函數(shù)后面添加自動創(chuàng)建設備節(jié)點相關代碼。首先要創(chuàng)建一個 class 類， class 是個結構體，定義在文件include/linux/device.h 里面。
使用 class_create 創(chuàng)建一個類：
extern struct class * __must_check __class_create(struct module *owner, const char *name, struct lock_class_key *key); #define class_create(owner, name) ({ static struct lock_class_key __key; __class_create(owner, name, &__key); })
使用class_destroy 摧毀一個類：extern void class_destroy(struct class *cls);
struct class { const char *name; struct module *owner; struct class_attribute *class_attrs; const struct attribute_group **dev_groups; struct kobject *dev_kobj; int (*dev_uevent)(struct device *dev, struct kobj_uevent_env *env); char *(*devnode)(struct device *dev, umode_t *mode); void (*class_release)(struct class *class); void (*dev_release)(struct device *dev); int (*suspend)(struct device *dev, pm_message_t state); int (*resume)(struct device *dev); const struct kobj_ns_type_operations *ns_type; const void *(*namespace)(struct device *dev); const struct dev_pm_ops *pm; struct subsys_private *p; };
在創(chuàng)建完類后，要創(chuàng)建一個設備，使用 device_create創(chuàng)建一個設備：struct device *device_create(struct class *cls, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...);
摧毀一個設備：extern void device_destroy(struct class *cls, dev_t devt);
創(chuàng)建類會在/sys/class/ 目錄下生成一個新的文件夾，其中包含屬于此類的設備文件夾。
IS_ERR 和 PTR_ERR
IS_ERR 可以判斷一個指針是否為空，PTR_ERR 將指針轉化為數(shù)值返回。
static inline long __must_check PTR_ERR(const void *ptr) { return (long) ptr; } static inline long __must_check IS_ERR(const void *ptr) { return IS_ERR_VALUE((unsigned long)ptr); }
#include <linux/fs.h> //file_operations聲明 #include <linux/module.h> //module_init module_exit聲明 #include <linux/init.h> //__init __exit 宏定義聲明 #include <linux/device.h> //class devise聲明 #include <linux/uaccess.h> //copy_from_user 的頭文件 #include <linux/types.h> //設備號 dev_t 類型聲明 #include <asm/io.h> //ioremap iounmap的頭文件 #define DEVICE_CNT 0 //設備號個數(shù) struct led_device{ dev_t devid; //設備號 int major; //主設備號 int minor; //次設備號 char* name = "led"; //驅動名 struct cdev led_dev; //cdev 結構體 struct class *class; /* 類 */ struct device* device; //設備 }; struct led_device led; static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) { return 0; } static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt) { return 0; } /* 設備操作函數(shù) */ static struct file_operations led_fo = { .owner = THIS_MODULE, .open = led_open, .read = led_read, .write = led_write, }; static int _init led_init() { /*注冊字符設備驅動*/ /*1.注冊設備號*/ led.major = 0; //由內核自動分配主設備號 if(led.major) //如果分配了的話就注冊 { led.devid = MKDEV(led.major,0); register_chrdev_region(led.devid,DEVICE_CNT,led.name); //將驅動注冊到內核中 } else{ //如果沒有分配的話 //從0號（次設備號）開始申請 alloc_chrdev_region(&led.devid,0,DEVICE_CNT,led.name); //申請設備號 led.major = MAJOR(led.devid); //獲取主設備號 led.minor = MANOR(led.devid); //獲取次設備號 } printk("newcheled major=%d,minor=%drn",newchrled.major, newchrled.minor); /*2.初始化 cdev 結構體*/ led.led_dev.woner = THIS_MODULE; cdev_init(&led.led_dev,&led_fo); //將操作函數(shù)初始化到cdev結構體 /*3.應該是向鏈表中添cdev*/ cdev_add(&led.led_dev,led.devid,DEVICE_CNT); /*4.創(chuàng)建節(jié)點*/ led.class = class_create(THIS_MODULE,led.name); //先創(chuàng)建一個類 led.device = device_create(led.class,NULL,led.devid,NULL); //創(chuàng)建設備 return 0; } static void _exit led_exit() { /* 注銷字符設備驅動 */ cdev_del(&newchrled.cdev);/* 刪除cdev */ unregister_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT); /* 注銷設備號 */ device_destroy(newchrled.class, newchrled.devid); class_destroy(newchrled.class); } /*注冊字符設備入口與卸載入口*/ module_init(led_init); module_exit(led_exit); MODULE_LICENSE("GPL v2"); MODULE_AUTHOR("zhoujianghong");
應用open到file_operations->open 的調用原理
