之前我们说过，Linux设备主要分为三类：字符设备、块设备和网络接口。
字符设备相对于另外两个设备更加容易理解，同时，这类设备也适合大多数简单的硬件设备，因此，接下来我们学习一下字符设备驱动。
字符驱动的学习分为两节：先介绍一下字符驱动驱动中的一些概念，这些概念有些在块设备中也是相同的；然后基于系统的内存创建一个字符设备实例。
本节主要介绍一下驱动中的一些概念，主要学会以下内容：
- 设备号及其相关操作
- 文件操作相关的数据结构
- 文件相关的数据结构
- 节点相关的数据结构
1. 设备号及其相关操作
字符设备通常位于 /dev 目录下，通过设备的名称进行访问，这些名称称为设备文件或节点。在 /dev 目录下，使用 ls -l 命令来查看系统中的设备情况，部分结果如下：
在每行的最前面的有一个字符（c、d、l、b等），其中，c 开头的设备表示的就是字符设备。（类似的，b 开头的设备表示块设备、d 表示是一个目录、l 表示是一个连接）
截图中的字符设备为 btrfs-control，具体信息如下：
crw------- 1 root root 10, 234 7月 25 10:45 btrfs-control
其中的：10,234 表示的就是设备的设备号，10 为主设备号（misc 字符设备），234为次设备号。
主设备号用于表示设备对应的驱动程序。Linux 内核允许多个驱动程序共享主设备号，但许多设备仍然按照一个设备号对应一个驱动程序的原则组织；次设备号由内核使用，用于正确确定设备文件所指的设备，利用次设备号可以获取一个指向内核设备的直接指针，也可以将次设备号当做设备本地数组的索引。
在 <linux/types.h> 头文件中提供了一个 dev_t 类型来保存设备号——在2.6.0内核中，dev_t 类型是32位的，其中的12位用来表示主设备号，剩余20位用来表示次设备号。但我们不要默认永远都是这样实现的，而应该利用 <linux/kdev_t.h> 中定义的两个宏来获取 dev_t 所表示的设备号：
MAJOR(dev_t dev); //返回主设备号
MINOR(dev_t dev); //返回次设备号
同样，当知道主设备号和次设备号时，也不要自己手动去拼接生成 dev_t 变量，而应使用以下宏实现：
MKDEV(int major, int minor); //返回dev_t变量
在驱动程序中，对于设备号的相关操作主要是分配和释放，操作函数都在 <linux/fs.h> 中进行了声明，主要有以下几个函数：
int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);
void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);
对其中的参数进行说明：
-
register_chrdev_region：first是要分配的设备编号的起始值；count是请求的连续设备编号的个数；name是和该设备号关联的设备名称，它将出现在/proc/devices和sysfs中。 -
alloc_chrdev_region：dev用于输出分配的设备编号；firstminor为要是用的被请求的第一个次设备号，通常为0；count和name同register_chrdev_region。 -
unregister_chrdev_region：first和count同register_chrdev_region。
register_chrdev_region 看名字就知道是注册设备号，这个函数适用于注册所需设备编号已知的情况下；在大多数情况下，我们是不知道设备编号的，可以使用 alloc_chrdev_region 来分配设备编号；unregister_chrdev_region 看名字也知道，是释放注册的设备编号，一般在退出函数中调用。
对于 register_chrdev_region 和 alloc_chrdev_region，强烈建议使用 alloc_chrdev_region 来分配设备编号，这样可以使得驱动程序适应性更强。
分配设备编号是驱动代码需要完成的第一件事，后续还需要将内部函数和设备编号连接起来。
2. 文件操作相关的数据结构
文件操作相关的数据结构主要是结构体 struct file_operations，其定义在 <linux/fs.h> 中。
该结构体包含了一组函数指针，用于将内部函数和上面的设备编号连接起来。
该结构体的具体内容请自行查看源码，下面对平常用得比较多的几个函数进行说明：
struct file_operations {
struct module *owner;
......
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
......
__poll_t (*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 (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
......
} ；
-
owner是一个模块指针，指定该结构体的拥有者模块，通常被初始化为THIS_MODULE； -
read：从设备中读取数据，返回负值表示读取出错，返回非负值表示读取到了多少字节； -
write：往设备中写入数据，返回写入成功的字节数，返回负数表示写入出错； -
poll：是poll、epoll、select这三个系统调用的后端实现，用于实现IO的多路复用； -
unlocked_ioctl和compat_ioctl：主要是unlocked_ioctl，用于系统调用ioctl执行设备的特定命令，而compat_ioctl主要用于32位应用程序在64位的操作系统中时执行，一般不用管； -
mmap：用于请求将设备内存映射到进程地址空间； -
open：设备文件执行的第一个操作，定义为NULL表示打开设备永远成功； -
release：当file结构体被释放时调用。
目前只要知道有这个结构体即可，可以在后续驱动中需要使用的时候再去深入了解。
3. 文件相关的数据结构
文件相关的数据结构主要是 struct file 结构体，其定义在 <linux/fs.h> 中。
该结构体表示一个打开的文件，它由内核在 open 时创建，因此系统中每个打开的文件、设备都有一个对应的 file 结构体。在文件的所有实例都被关闭后，内核才会释放这个结构体。
具体内容查看源码，下面对比较重要的属性进行说明：
struct file {
......
const struct file_operations *f_op;
......
unsigned int f_flags;
fmode_t f_mode;
......
loff_t f_pos;
......
void *private_data;
......
}
-
f_op：文件操作相关。内核在执行open操作的时候对这个指针赋值，以后需要处理这些操作的时候读取这个指针； -
f_flags：文件标志，如O_RDONLY、O_NONBLOCK和O_SYNC。主要是用来检查O_NONBLOCK标志，其他标志很少用。检查读写权限不是用这个变量，而是需要使用下面的f_mode； -
f_mode：文件模式。用来标识文件是否可读或可写（或可读写）； -
f_pos：表示当前的读写位置，是一个long long型的变量，可读，但不要去直接去修改它； -
private_data：是一个void型的指针，可以忽略，也可以根据需要用于存储需要的数据，有时候非常有用。
同样，这个结构体目前只需要了解即可，后续如果有需要再深入了解。
4. 节点相关的数据结构
上面介绍了 struct file_operations 结构体表示文件操作相关的结构体，struct file 结构体表示打开的文件。下面介绍的 struct inode 结构体表示的是文件（节点）。该结构体同样位于 <linux/fs.h> 中。
struct inode 中包含了大量的有关文件的信息，其中对于驱动程序编写非常重要的主要有以下几个：
struct inode {
......
dev_t i_rdev;
......
union {
......
struct cdev *i_cdev;
......
};
......
};
-
i_rdev：包含了设备编号； -
i_cdev：当inode指向一个字符设备时，该字段包含了指向struct cdev结构体的指针。
以上是本节的主要内容，下一节将会编写一个字符设备实例。
