1. Character Device
张涛
00648331 北京大学计算机系06级
2008年11月
北京大学微处理器研究开发中心

2. Contents
Linux设备管理及设备分类简介
字符设备及其特点
字符设备驱动基本特性要求
从一个具体的字符设备驱动scull来看字符设备
驱动设计要求
字符设备驱动设计的一些具体问题简介
References
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3. Linux系统中设备管理特点
沿用UNIX系统的设备文件概念，设备与文件
有一致的用户接口
主要设备文件在/dev目录中
分类
– 字符设备(Character Device)
– 块设备(Block Device)
– * 网络设备(Network Device)
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4. Linux设备文件分类
字符设备(Character Device)
– 以字节流(byte stream)方式存取，不能随机访问
– 内核对其无缓冲机制
块设备(Block Device)
– 可支持随机存取，以块(block)为单位进行存取
– 内核提供缓冲机制
* 网络设备(Network Device)
– 网络传输的软件抽象接口，以data packet为单位进行存取
– 一般不以设备文件形式存在，由系统单独统一命名，如eth0
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5. 设备文件实例
字符设备(Character Device)
– 字符终端(/dev/tty[x]、/dev/console)
– 串行接口(/dev/ttyS0)
块设备(Block Device)
– 各种硬盘、光驱等(/dev/hd[x]、/dev/sd[x]…、/dev/cdrom)
– Ram Disk(/dev/ram[x])
网络设备(Network Device)
– eth[x]
– wlan[x]
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6. 字符设备(Character Device)
支持面向字节流的读写(stream-oriented)
与普通文件的区别
– 普通文件：一般都支持向前、向后移动读写位置
– 字符设备文件：大多不支持向前、向后移动读写位
置，不过也有少数例外
其字节流读写特性由字符驱动(char driver)实
现支持
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7. 字符设备的特点
结构相对块设备(Block Device)简单很多，无
需考虑内核的缓冲机制对I/O存取过程中产生
的影响
可以用现成的处理普通文件的方法来处理，通
用性强
使用广泛，很多设备均以字符设备文件的形式
工作
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8. 字符设备驱动(Character Driver)
字符驱动(Char driver)需至少实现如下系统调
用(System Call)以满足对字符设备文件的基本
操作：
– open
– close
– read
– write
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9. 字符设备驱动(Character Driver)
特点
– 如同字符设备，相对块设备驱动和网络设备驱动等
其它驱动来说，结构简单，易于理解
– 概念适用于大多数简单字符设备驱动
– 适合于初学及入门
典型实例
– scull (Simple Character Utility for Loading
Localities)
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10. scull
一个基于某一内存区域实现字符设备的驱动
特点
– Hardware independent，不依赖于独特的硬件，仅
仅需要一块内核分配的内存空间
– 一般仅用来示范内核与字符驱动之间的接口，以及
提供给用户一个测试的对象，对于现实的硬件没有
有效的意义
– 对于学习Linux驱动来说，scull是一个很好的切入
点
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11. 从scull看驱动设计
驱动程序的机制设计——提供用户程序接口
scull驱动实现的设备
– scull0 – scull3 : each consisting of a memory
area that is both global and persistent
– scullpipe0 – scullpipe3 : FIFO devices, work like
pipes
– scullsingle : allow only one process to use at a
time
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12. 从scull看驱动设计
scull驱动实现的设备
– scullpriv : private to each virtual console,
different memory area assigned
– sculluid/scullwuid : can be opened multiple times,
but only by one user at a time.
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13. 设备的Major number 和 Minor number
Major number : identifies the driver
associated with the device
Minor number : used by the kernel to
determine exactly which device is being
referred to.
Linux 内核使用dev_t类型来表示major
number(12 bits)和minor number(20
bits)
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14. Device Number 的分配和释放
使用register_chrdev_region函数来获得指定的
register_chrdev_region
Device Number
– 需确定指定的Device Number尚未被占用，否则出错
使用alloc_chrdev_region函数来从内核获得一个当
alloc_chrdev_region
前可用的Device Number
使用unregister_chrdev_region来释放当前被占用
unregister_chrdev_region
的Device Number
详见LDD 3rd P45
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15. 涉及的3个内核基本数据结构
file_operations
– 对于特定文件，提供指向对应的文件操作的函数指
针等
file
– 用来表示一个打开的文件，由内核创建并传递给操
作文件的函数
inode
– 内核内部用于表示文件的结构
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16. 字符设备的注册(Registration)与删除
(Removal)
内核内部使用cdev结构体来表示字符设备，
cdev
需包含头文件<linux/cdev.h>
使用cdev_alloc函数来请求内核分配字符设
cdev_alloc
备相应资源，并返回指向新设备的cdev结构
的指针(也可以使用cdev_init来给自己维护
的cdev结构分配相应字符设备资源)
使用cdev_del函数来删除给定的cdev结构指
cdev_del
针所代表的字符设备，释放相应资源
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17. 必须实现的四个基本方法(Method)
前面提到为了使字符设备驱动正常工作，至少
需要提供四个基本的系统调用，以满足最基础
的设备的使用需求
– open Method
– release/close Method
– read Method
– write Method
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18. open Method
提供初始化操作，为后面提供设备操作做准备
需要完成以下工作
– 检查设备错误
– 如果设备首次打开，进行设备初始化
– 更新file_operations结构体指针
– 分配并更新file结构体中private_data成员中的
所有数据结构
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19. release Method
执行与open Method相反的操作，释放设备占
用的相应资源和数据结构
需要完成的任务
– 释放所有file结构体的private_data中由open
Method申请的数据结构资源
– 如果是最后一个释放操作，则关闭相应的设备
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20. read&write Method
两者执行的操作非常相似，均是在程序代码之
间复制数据，因此两者的实现也很相似，提供
接口也大致相同
特殊的“版本”：readv&writev，提供对一个操
作对象的结构体集合一次性进行操作。如果没
有专门提供，可以借用多次调用read&write
Method来实现
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21. References ——for more details
Linux Device Drivers 3rd Edition
– JONATHAN CORBET, ALESSANDRO RUBINI & GREG
KROAH-HARTMAN
– O’REILLY & 东南大学出版社
Understanding the Linux Kernel
– DANIEL P. BOVET & MARCO CESATI
– O’REILLY & 东南大学出版社
Wikipedia –The Free Encyclopedia
– http://en.wikipedia.org/
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