Linux下的設備驅動程序被組織為一組完成不同任務的函數(shù)的集合，通過這些函數(shù)使得Windows的設備操作猶如文件一般。在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以象操作普通文件一樣對硬件設備進行操作，如open ()、close ()、read ()、write () 等。
Linux主要將設備分為二類：字符設備和塊設備。字符設備是指設備發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以字符的形式進行；而塊設備則以整個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的形式進行。字符設備的驅動相對比較簡單。
下面我們來假設一個非常簡單的虛擬字符設備：這個設備中只有一個4個字節(jié)的全局變量int global_var，而這個設備的名字叫做"gobalvar"。對"gobalvar"設備的讀寫等操作即是對其中全局變量global_var的操作。
驅動程序是內核的一部分，因此我們需要給其添加模塊初始化函數(shù)，該函數(shù)用來完成對所控設備的初始化工作，并調用register_chrdev() 函數(shù)注冊字符設備：
static int __init gobalvar_init(void)
{
if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " gobalvar ", &gobalvar_fops))
{
//…注冊失敗
}
else
{
//…注冊成功
}
} |
其中，register_chrdev函數(shù)中的參數(shù)MAJOR_NUM為主設備號,"gobalvar"為設備名，gobalvar_fops為包含基本函數(shù)入口點的結構體，類型為file_operations。當gobalvar模塊被加載時，gobalvar_init被執(zhí)行，它將調用內核函數(shù)register_chrdev，把驅動程序的基本入口點指針存放在內核的字符設備地址表中，在用戶進程對該設備執(zhí)行系統(tǒng)調用時提供入口地址。
與模塊初始化函數(shù)對應的就是模塊卸載函數(shù)，需要調用register_chrdev()的"反函數(shù)" unregister_chrdev()：
static void __exit gobalvar_exit(void)
{
if (unregister_chrdev(MAJOR_NUM, " gobalvar "))
{
//…卸載失敗
}
else
{
//…卸載成功
}
} |
隨著內核不斷增加新的功能，file_operations結構體已逐漸變得越來越大，但是大多數(shù)的驅動程序只是利用了其中的一部分。對于字符設備來說，要提供的主要入口有：open ()、release ()、read ()、write ()、ioctl ()、llseek()、poll()等。
open()函數(shù) 對設備特殊文件進行open()系統(tǒng)調用時，將調用驅動程序的open () 函數(shù)：
| int (*open)(struct inode * ,struct file *); |
其中參數(shù)inode為設備特殊文件的inode (索引結點) 結構的指針，參數(shù)file是指向這一設備的文件結構的指針。open()的主要任務是確定硬件處在就緒狀態(tài)、驗證次設備號的合法性(次設備號可以用MINOR(inode-> i - rdev) 取得)、控制使用設備的進程數(shù)、根據(jù)執(zhí)行情況返回狀態(tài)碼(0表示成功，負數(shù)表示存在錯誤) 等；
release()函數(shù) 當最后一個打開設備的用戶進程執(zhí)行close ()系統(tǒng)調用時，內核將調用驅動程序的release () 函數(shù)：
| void (*release) (struct inode * ,struct file *) ; |
release 函數(shù)的主要任務是清理未結束的輸入/輸出操作、釋放資源、用戶自定義排他標志的復位等。
read()函數(shù) 當對設備特殊文件進行read() 系統(tǒng)調用時，將調用驅動程序read() 函數(shù)：
| ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); |
用來從設備中讀取數(shù)據(jù)。當該函數(shù)指針被賦為NULL 值時，將導致read 系統(tǒng)調用出錯并返回-EINVAL（"Invalid argument，非法參數(shù)"）。函數(shù)返回非負值表示成功讀取的字節(jié)數(shù)（返回值為"signed size"數(shù)據(jù)類型，通常就是目標平臺上的固有整數(shù)類型）。
globalvar_read函數(shù)中內核空間與用戶空間的內存交互需要借助第2節(jié)所介紹的函數(shù)：
static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
…
copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int));
…
} |
write( ) 函數(shù) 當設備特殊文件進行write () 系統(tǒng)調用時，將調用驅動程序的write () 函數(shù)：
| ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); |
向設備發(fā)送數(shù)據(jù)。如果沒有這個函數(shù)，write 系統(tǒng)調用會向調用程序返回一個-EINVAL。如果返回值非負，則表示成功寫入的字節(jié)數(shù)。
globalvar_write函數(shù)中內核空間與用戶空間的內存交互需要借助第2節(jié)所介紹的函數(shù)：
static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
…
copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int));
…
} |
ioctl() 函數(shù) 該函數(shù)是特殊的控制函數(shù)，可以通過它向設備傳遞控制信息或從設備取得狀態(tài)信息，函數(shù)原型為：
| int (*ioctl) (struct inode * ,struct file * ,unsigned int ,unsigned long); |
unsigned int參數(shù)為設備驅動程序要執(zhí)行的命令的代碼，由用戶自定義，unsigned long參數(shù)為相應的命令提供參數(shù)，類型可以是整型、指針等。如果設備不提供ioctl 入口點，則對于任何內核未預先定義的請求，ioctl 系統(tǒng)調用將返回錯誤（-ENOTTY，"No such ioctl fordevice，該設備無此ioctl 命令"）。如果該設備方法返回一個非負值，那么該值會被返回給調用程序以表示調用成功。
llseek()函數(shù) 該函數(shù)用來修改文件的當前讀寫位置，并將新位置作為（正的）返回值返回，原型為：
| loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); |
poll()函數(shù) poll 方法是poll 和select 這兩個系統(tǒng)調用的后端實現(xiàn)，用來查詢設備是否可讀或可寫，或是否處于某種特殊狀態(tài)，原型為：
| unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); |
我們將在"設備的阻塞與非阻塞操作"一節(jié)對該函數(shù)進行更深入的介紹。
設備"gobalvar"的驅動程序的這些函數(shù)應分別命名為gobalvar_open、gobalvar_ release、gobalvar_read、gobalvar_write、gobalvar_ioctl，因此設備"gobalvar"的基本入口點結構變量gobalvar_fops 賦值如下：
struct file_operations gobalvar_fops = {
read: gobalvar_read,
write: gobalvar_write,
}; |
上述代碼中對gobalvar_fops的初始化方法并不是標準C所支持的，屬于GNU擴展語法。
完整的globalvar.c文件源代碼如下：
| #include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/uaccess.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
#define MAJOR_NUM 254 //主設備號
static ssize_t globalvar_read(struct file *, char *, size_t, loff_t*);
static ssize_t globalvar_write(struct file *, const char *, size_t, loff_t*);
//初始化字符設備驅動的file_operations結構體
struct file_operations globalvar_fops =
{
read: globalvar_read, write: globalvar_write,
};
static int global_var = 0; //"globalvar"設備的全局變量
static int __init globalvar_init(void)
{
int ret;
//注冊設備驅動
ret = register_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar", &globalvar_fops);
if (ret)
{
printk("globalvar register failure");
}
else
{
printk("globalvar register success");
}
return ret;
}
static void __exit globalvar_exit(void)
{
int ret;
//注銷設備驅動
ret = unregister_chrdev(MAJOR_NUM, "globalvar");
if (ret)
{
printk("globalvar unregister failure");
}
else
{
printk("globalvar unregister success");
}
}
static ssize_t globalvar_read(struct file *filp, char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
//將global_var從內核空間復制到用戶空間
if (copy_to_user(buf, &global_var, sizeof(int)))
{
return - EFAULT;
}
return sizeof(int);
}
static ssize_t globalvar_write(struct file *filp, const char *buf, size_t len, loff_t *off)
{
//將用戶空間的數(shù)據(jù)復制到內核空間的global_var
if (copy_from_user(&global_var, buf, sizeof(int)))
{
return - EFAULT;
}
return sizeof(int);
}
module_init(globalvar_init);
module_exit(globalvar_exit); |
運行：
| gcc -D__KERNEL__ -DMODULE -DLINUX -I /usr/local/src/linux2.4/include -c -o globalvar.o globalvar.c |
編譯代碼，運行：
加載globalvar模塊，再運行：
發(fā)現(xiàn)其中多出了"254 globalvar"一行，如下圖：
接著我們可以運行：
| mknod /dev/globalvar c 254 0 |
創(chuàng)建設備節(jié)點，用戶進程通過/dev/globalvar這個路徑就可以訪問到這個全局變量虛擬設備了。我們寫一個用戶態(tài)的程序globalvartest.c來驗證上述設備：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
main()
{
int fd, num;
//打開"/dev/globalvar"
fd = open("/dev/globalvar", O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
if (fd != -1 )
{
//初次讀globalvar
read(fd, &num, sizeof(int));
printf("The globalvar is %d\n", num);
//寫globalvar
printf("Please input the num written to globalvar\n");
scanf("%d", &num);
write(fd, &num, sizeof(int));
//再次讀globalvar
read(fd, &num, sizeof(int));
printf("The globalvar is %d\n", num);
//關閉"/dev/globalvar"
close(fd);
}
else
{
printf("Device open failure\n");
}
} |
編譯上述文件：
| gcc -o globalvartest.o globalvartest.c |
運行
可以發(fā)現(xiàn)"globalvar"設備可以正確的讀寫。
