1. 什么是字符驱动程序
在Linux操作系统中，驱动程序是与硬件设备进行交互的核心组件之一。驱动程序分为字符驱动程序和块设备驱动程序两种类型。本文主要讨论字符驱动程序。
字符驱动程序是一种操作系统内核模块，用于控制和管理字符设备。它允许用户和应用程序通过特定的字符输入和输出进行与设备的交互。常见的字符设备包括串口、并口、键盘和鼠标等。
1.1 字符设备和块设备的区别
字符设备是一种以字符为单位进行数据传输的设备，例如打印机。而块设备是以块为单位进行数据传输的设备，例如硬盘。字符设备和块设备的主要区别在于数据传输的单位不同。
字符设备的特点：
以字符为单位进行数据传输
不支持随机访问
不存储数据
块设备的特点：
以块为单位进行数据传输
支持随机访问
存储数据
由于字符设备和块设备有不同的特点，所以它们的驱动程序也有一些差异。
2. Linux字符驱动程序的结构
Linux字符驱动程序由多个组件构成，包括设备驱动的注册、设备驱动程序的实现和设备文件的创建等。
2.1 设备驱动的注册
在Linux中，设备驱动程序可以通过misc_register、platform_driver_register和usb_register等函数进行注册。注册后，内核会为设备驱动程序分配一个唯一的设备号，并将驱动程序与相应的字符设备进行关联。
设备号是一个由主设备号和次设备号组成的整数值。主设备号用于标识设备驱动程序，次设备号用于标识具体的设备。
struct cdev cdev; /* 字符设备结构体 */
struct file_operations fops = {
.open = device_open,
.release = device_release,
.read = device_read,
.write = device_write,
.unlocked_ioctl = device_ioctl
};
int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */
/* 注册设备驱动 */
major = register_chrdev(0, "mydevice", &fops);
if (major < 0) {
printk(KERN_ALERT "Failed to register character device!\n");
return major;
}
cdev_init(&cdev, &fops);
cdev_add(&cdev, MKDEV(major, minor), 1);
2.2 设备驱动程序的实现
设备驱动程序是字符驱动程序的核心部分，它包含了对字符设备进行读写操作的函数。常见的字符设备操作函数包括open、close、read、write和ioctl等。
其中，open函数用于打开设备文件；close函数用于关闭设备文件；read函数用于从设备中读取数据；write函数用于向设备中写入数据；ioctl函数用于控制设备的特性。
/* 打开设备 */
int device_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/* 实现设备的打开操作 */
return 0;
}
/* 关闭设备 */
int device_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/* 实现设备的关闭操作 */
return 0;
}
/* 从设备中读取数据 */
ssize_t device_read(struct file *filp, char __user *buffer, size_t length, loff_t *offset)
{
/* 实现设备的读取操作 */
return 0;
}
/* 向设备中写入数据 */
ssize_t device_write(struct file *filp, const char __user *buffer, size_t length, loff_t *offset)
{
/* 实现设备的写入操作 */
return 0;
}
/* 控制设备的特性 */
long device_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
/* 实现设备的IO控制操作 */
return 0;
}
2.3 设备文件的创建
设备驱动程序注册成功后，系统会在/dev目录下创建相应的设备文件。设备文件可以通过mknod命令手动创建，也可以通过udev规则自动创建。
设备文件的名称和设备号有一定的关联。例如，设备号为(250,0)的字符设备对应的设备文件名为/dev/mydevice0。
通过打开设备文件，用户和应用程序可以通过对文件的读写操作与设备进行交互。
3. Linux字符驱动程序的应用
字符驱动程序在Linux系统中应用广泛，主要用于与各种外部设备进行通信。例如，串口设备驱动程序可用于通过串口与其他设备进行通信；键盘设备驱动程序可用于捕获和处理用户的键盘输入。
开发字符驱动程序需要具备一定的嵌入式系统和Linux内核编程知识。下面是一个简单的字符驱动程序示例，用于实现从设备中读取温度值的功能。
/* 获取温度值的设备驱动程序 */
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
/* 从设备中获取温度值 */
int get_temperature(void)
{
/* 实现获取温度值的操作 */
return 25;
}
/* 设备文件的打开操作 */
int device_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
printk(KERN_ALERT "Device opened.\n");
return 0;
}
/* 设备文件的读取操作 */
ssize_t device_read(struct file *filp, char __user *buffer, size_t length, loff_t *offset)
{
int temperature;
char temp_str[10];
/* 从设备中获取温度值 */
temperature = get_temperature();
sprintf(temp_str, "%d", temperature);
/* 将温度值写入用户空间的缓冲区 */
if (copy_to_user(buffer, temp_str, sizeof(temp_str))) {
return -EFAULT;
}
return sizeof(temp_str);
}
/* 文件操作集合 */
struct file_operations fops = {
.open = device_open,
.read = device_read,
};
/* 主设备号和次设备号 */
int major = 0;
int minor = 0;
/* 初始化字符设备结构体 */
struct cdev cdev;
/* 模块初始化函数 */
static int __init temperature_init(void)
{
/* 分配主设备号 */
major = register_chrdev(0, "temperature", &fops);
if (major < 0) {
printk(KERN_ALERT "Failed to register character device.\n");
return major;
}
/* 初始化字符设备结构体 */
cdev_init(&cdev, &fops);
cdev_add(&cdev, MKDEV(major, minor), 1);
printk(KERN_INFO "Temperature module loaded.\n");
return 0;
}
/* 模块退出函数 */
static void __exit temperature_exit(void)
{
/* 注销字符设备结构体 */
cdev_del(&cdev);
/* 注销设备号 */
unregister_chrdev(major, "temperature");
printk(KERN_INFO "Temperature module unloaded.\n");
}
/* 注册模块初始化和退出函数 */
module_init(temperature_init);
module_exit(temperature_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
4. 总结
本文介绍了Linux字符驱动程序的基础知识，包括字符设备和块设备的区别、字符驱动程序的结构以及字符驱动程序的应用。通过实例展示了一个简单的字符驱动程序，用于从设备中读取温度值。了解Linux字符驱动程序的基础知识对于嵌入式系统和Linux内核编程非常重要。