上一节介绍了字符驱动中的一些概念，这一节我们将会基于系统内存编写一个字符设备驱动，加深对上一节中的概念的理解。
本节主要学会的内容：
- 字符设备注册
- 对设备节点进行
cat和echo操作
1. 驱动设计
编写驱动之前，我们要明确我们的驱动需要或者能够为用户程序提供什么功能，这也是我们之前提到的机制。
在《设备驱动程序》一书中，关于字符设备驱动程序的章节介绍了一个 scull（Simple Character Utility for Loading Localities，区域装载的简单字符工具）设备，其设计的机制比较复杂，同时，其中的部分函数也已经被淘汰了。因此，本文简化其机制，并使用新的函数进行实现。
本文设计的设备名称沿用书本中的名字：scull。
本文设计的设备提供一个固定大小的内存区域（由宏 DATA_SIZE 决定），可以往其中存入（echo）数据（最大不大于指定的大小），同时可以读出（cat）其中的存储的数据。
2. 代码分析
设备驱动的代码比较长，所以就不全部列举出来，本文只对代码中的重点部分进行简要说明，如果需要全部代码，请看：
https://gitee.com/Quehehe/LinuxDeviceDriver
设备结构体
在头文件中（scull.h）定义了一个结构体，内容如下：
struct scull_dev {
char *data;
int data_length;
struct cdev cdev;
};
这个结构体可以理解为设备：其包含了 struct cdev，可以理解为继承的概念（当然，在C中没有继承的说法），说明此设备是一个字符设备；存储了数据的起始地址的指针，数据的长度。
如果有其他与设备相关的数据，都可以放到该结构体中，这样，只要获取到这个结构体就相当于获取了这个设备。
文件操作相关的数据结构
static struct file_operations fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = scull_open,
.release = scull_release,
.read = scull_read,
.write = scull_write,
.unlocked_ioctl = scull_ioctl,
};
这个就是上一节中说的 struct file_operations 结构体，本文实现了其中的 open、release、read、write 和 unlocked_ioctl 函数。
open()、read()和write()函数说明
针对上面的 open()、read() 和 write() 的实现函数进行说明。
open() 函数的实现如下：
int scull_open (struct inode *node, struct file *filp)
{
struct scull_dev *dev;
dev = container_of(node->i_cdev, struct scull_dev, cdev);
filp->private_data = dev;
return 0;
}
其中 container_of() 这个宏的作用是：根据结构体变量A中的某个属性的地址计算出结构体变量A的地址。利用 node 中的 icdev 的地址来获取上面的 struct scull_dev 变量的地址。
将获取到的 struct scull_dev 地址存储在 filp->private_data 变量中，这个变量上一节有说明，是一个 void * 指针变量，后续的 read、write 等操作都可以通过 filp 来获取 struct scull_dev 变量。
read() 函数的实现如下（截取）：
ssize_t scull_read (struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *loff)
{
......
if(dev->data_length == 0 || *loff != 0) {
return 0;
}
......
ret = raw_copy_to_user(buf, dev->data, size);
......
*loff += size;
return size;
}
raw_copy_to_user 函数后面再说明。
这里对 read() 的返回值进行说明，其返回值有以下几种：
- 返回值等于形参
size，则表示请求的数据读取完成，这是最理想的状态； - 返回值是一个小于
size的正整数，表明读取了部分数据，这种情况根据应用程序需要选择继续读取或者停止读取； - 返回值为0，表示到达了数据的结尾，后续没有数据可以传输了；
- 返回值为负数，表示读取数据出错；
write() 函数的实现如下（截取）：
ssize_t scull_write (struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *loff)
{
......
ret = raw_copy_from_user(dev->data, buf, size);
......
dev->data_length = size;
return size;
}
raw_copy_from_user() 函数后面再说明。
这里对 write() 函数的返回值进行说明，其返回值有以下几种情况：
- 返回值等于形参
size，则表示写入的数据完成； - 返回值是小于形参
size的正整数，则表示未全部写入，应用程序根据需要可以继续写入或者停止写入； - 返回值为0，表示没有写入任何数据，但是出现这个的原因并不是因为任何错误导致的，而是其他非原因；
- 返回值为负数，表示写入数据出错；
raw_copy_to_user()与raw_copy_from_user()
这两个函数定义在 <asm/uaccess.h> 头文件中，其作用是将内核空间和用户空间之间相互拷贝数据，从名字就可以看出：raw_copy_to_user 从内核向用户空间拷贝；raw_copy_from_user 从用户空间向内核空间拷贝。
内核空间与用户空间的地址是不能直接相互引用的，原因如下：
- 在内核模式运行时，用户空间的指针可能是无效的；
- 即使用户空间的指针与内核空间的指针代表的是相同的东西，但用户空间的内存是分页的，在系统调用时，涉及到的内存可能不在RAM中；
- 出于安全考虑，防止该指针指向一个恶意程序后者存在缺陷的程序。
字符设备注册（截取）
字符设备驱动注册的部分代码如下：
static int scull_init(void)
{
......
scull_dev.data = (char *)kmalloc(DATA_SIZE, GFP_KERNEL); /** 分配数据空间 */
......
scull_dev.data_length = 0;
ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, DEVICE_COUNT, DEVICE_NAME); /** 分配设备号 */
cdev_init(&scull_dev.cdev, &fops); /** 初始化字符设备 */
scull_dev.cdev.owner = THIS_MODULE;
ret = cdev_add(&scull_dev.cdev, dev_num, DEVICE_COUNT); /** 添加字符设备 */
if(ret < 0) {
printk(KERN_ALERT "cdev add failed!\n");
goto cdev_add_err;
}
/* 创建节点 */
scull_class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);
for(i = 0; i < DEVICE_COUNT; i++) {
device_create(scull_class, NULL,
MKDEV(MAJOR(dev_num), MINOR(dev_num) + i),
NULL, DEVICE_NAME"%d", i);
}
printk(KERN_ALERT "cdev add complete!\n");
return 0;
cdev_add_err:
unregister_chrdev_region(dev_num, DEVICE_COUNT); /** 添加字符设备出错的话，将之前分配的设备号释放 */
alloc_dev_num_err:
kfree(scull_dev.data);
alloc_data_err:
return ret;
}
首先分配存储数据的空间，空间大小由宏 DATA_SIZE 决定。
然后分配设备号，这个上一节有讲过。
接下来是注册字符设备相关的操作，主要涉及：cdev_init()，cdev_add() 两个函数
cdev_init() 将设备与 file_operations 绑定在一起。
cdev_add() 将设备与设备编号绑定在一起，并添加到系统中。
此时系统中并没有设备节点的存在（内核2.6.0之后），还需要下面 class_create() 和 device_create() 来创建设备节点。
class_create() 会在 /sys/class/ 目录下创建相应的设备目录。
device_create() 会在指定的目录下创建设备节点，节点创建后，相应的节点会添加到 /dev 目录下。
至此，完成了设备的注册过程。
3. 运行结果
在项目的根目录下运行 make，编译得到 scull.ko 模块文件，将该模块加载到系统中。这些操作都是之前有过介绍的，这里就不再详细说明了。
加载成功后，结果如图所示：
此时打印出设备的主设备号240和从设备号0。
加载成功后，可以切换到/dev目录下，目录中会生成scull0~3共四个设备，如图所示：
最开始的 c 表示这是一个字符设备。
接下来对scull0这个设备进行 cat 和 echo 操作。
注意到设备节点的权限为 rw-------，因此，只有 root 用户能够对节点进行读写。为了后续操作方便，利用sudo chmod 命令去改变节点的权限，使得other用户也能读写，命令如下图所示：
对节点进行 cat 操作，结果如下：
没有打印任何信息，因为此时数据长度为0。
接下来利用 echo 往节点中随便写入一些数据：
可以看到，上面 echo 写入的数据被读取出来了，由此判断我们的驱动正常运行。
可以多试几次，结果如下：
从上面可知，驱动程序正常运行。
至此，完成了字符设备驱动的相关介绍。
当然，这个驱动示例也只能当做一个简单的示例，还有许多需要完善的地方，后续根据学习情况慢慢添加。
