前言

截至当前，工作中涉及的驱动基本都是字符设备驱动，内核通过字符设备向用户空间提供API，实现内核与用户态间的交互。

学习字符设备需要了解以下几方面的知识：

了解Linux内核字符设备驱动程序的架构
了解Linux内核字符设备驱动相关的API
了解Linux内核内存管理的API
了解Linux内核中断管理的API
了解Linux内核同步和锁相关的API
了解具体芯片的工作原理及操作方式

下面围绕几点，概述一下相关知识。

字符设备驱动

字符设备驱动架构

驱动架构如图所示，最底层是硬件、向上是Linux的核心模块（比如文件管理、内存管理、中断管理等），然后是驱动程序、虚拟文件系统、系统调用，最上层是应用程序。应用程序通过打开字符设备，使用open、read、write以及mmap等系统调用，获取相关资源，进行对应的操作，最后控制硬件的行为。

字符设备驱动的API

相关接口的功能包括创建一个字符设备、管理相关的文件操作集函数。大概归纳一下有如下接口：

// 申请一个字符设备号
int alloc_chrdev_region(dev_t *, unsigned, unsigned, const char *);

// 创建一个 struct class
class_create(owner, name)

// 初始化 struct cdev
void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);

// 创建字符设备
int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);

// 创建设备实例
struct device *
device_create(struct class *cls, struct device *parent, dev_t devt,
	      void *drvdata, const char *fmt, ...);


// 这样就在/dev下创建好一个文件了

// 销毁设备实例
void device_destroy(struct class *cls, dev_t devt);

// 注销class
void class_unregister(struct class *class);
void class_destroy(struct class *cls);

// 删除cdev
void cdev_del(struct cdev *);

// 释放设备号
void unregister_chrdev_region(dev_t, unsigned);

// 实现基础文件的打开关闭读写操作
static int my_open(struct inode *inodep, struct file *filep) {
    printk(KERN_INFO "Device has been opened\n");
    return 0;
}

static int my_release(struct inode *inodep, struct file *filep) {
    printk(KERN_INFO "Device successfully closed\n");
    return 0;
}

static ssize_t my_read(struct file *filep, char *buffer, size_t len, loff_t *offset) {
    // 读取逻辑
    return 0;
}

static ssize_t my_write(struct file *filep, const char *buffer, size_t len, loff_t *offset) {
    // 写入逻辑
    return len;
}

static struct file_operations fops = {
    .open = my_open,
    .release = my_release,
    .read = my_read,
    .write = my_write,
};

内存管理的API

主要就是分配内存，设备内存映射等接口。


// 分配设备内存，一般用于存放设备上下文的结构， 设备管理的内存分配函数，它会自动处理内存的释放工作
void *devm_kzalloc(struct device *dev, size_t size, gfp_t flags);

// 获取设备空间并映射到内存，返回内存地址, devm 开头的函数，在设备或者模块被移除时 会自动做反方向的释放工作
void __iomem *
devm_platform_get_and_ioremap_resource(struct platform_device *pdev,
				unsigned int index, struct resource **res);

// 往映射的内存写数据, 根据操作的长度，存在对应writex函数
static inline void writel(u32 value, volatile void __iomem *addr)

// 从映射的内存读数据, 根据操作的长度，存在对应readx函数
static inline u32 readl(const volatile void __iomem *addr)

// 内存分配
static inline struct page *alloc_pages_node(int nid, gfp_t gfp_mask,
						unsigned int order)
void free_pages(unsigned long addr, unsigned int order);

void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags);
void kfree(const void *ptr);


// dma相关接口
#define dma_map_single(d, a, s, r) dma_map_single_attrs(d, a, s, r, 0)
#define dma_unmap_single(d, a, s, r) dma_unmap_single_attrs(d, a, s, r, 0)
#define dma_map_sg(d, s, n, r) dma_map_sg_attrs(d, s, n, r, 0)
#define dma_unmap_sg(d, s, n, r) dma_unmap_sg_attrs(d, s, n, r, 0)
#define dma_map_page(d, p, o, s, r) dma_map_page_attrs(d, p, o, s, r, 0)
#define dma_unmap_page(d, a, s, r) dma_unmap_page_attrs(d, a, s, r, 0)

void dma_sync_single_for_cpu(struct device *dev, dma_addr_t addr, size_t size,
		enum dma_data_direction dir);
void dma_sync_single_for_device(struct device *dev, dma_addr_t addr,
		size_t size, enum dma_data_direction dir);

static inline void *dma_alloc_coherent(struct device *dev, size_t size,
		dma_addr_t *dma_handle, gfp_t gfp)
static inline void dma_free_coherent(struct device *dev, size_t size,
		void *cpu_addr, dma_addr_t dma_handle)

中断管理的API

中断一般由设备发起，驱动程序通过注册中断函数处理数据，而不需要驱动程序主动去poll数据是否准备好。当然，根据应用场景，也有禁用中断使用轮询方式的，比如DPDK。

同步和锁相关的API

驱动常用的主要是struct mutex 和 struct spinlock，其中mutex会导致线程阻塞挂起，而spinlock则类似while循环一直在忙。API省略。

具体芯片的工作原理及操作方式

根据具体硬件的手册来操作，了解实现逻辑和寄存器地址与功能。

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IT攻城狮小明

Linux基础复学（3）- 字符设备驱动

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