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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據輸入裝置；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。
本教程操作環境：linux7.3系統、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，網絡設備）。它們均以一個文件節點形式顯示在文件系統的/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， 它與塊設備的區別在于是字符操作的基本單位是字節。
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， 串行設備數據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，如網絡登陸主機時網絡服務器和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，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， 宛如將一個數據端口(數據寄存器)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為單位的， 不需要設立硬件緩沖區。 設備像訪問字節流一樣被操作系統訪問。 字節流就像在硬件端口和文件系統搭建起了一個傳送管道， 字節逐個通過管道傳輸并呈現給讀寫雙方。 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分設備細節差別使用的代碼，內核其他部分不使用它。
字符設備在應用層如何體現
cat /proc/devices 命令可以查看當前系統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：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 等函數會調用到file_operations 對應的函數。
//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據，需要借助這兩個函數拷貝：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。
自動創建設備文件
自動創建設備節點的工作是在驅動程序的入口函數中完成的，一般在 cdev_add 函數后面添加自動創建設備節點相關代碼。首先要創建一個 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; };
在創建完類后，要創建一個設備，使用 device_create創建一個設備：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 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 */ 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.創建節點*/ led.class = class_create(THIS_MODULE,led.name); //先創建一個類 led.device = device_create(led.class,NULL,led.devid,NULL); //創建設備 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
