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在計算機科學(xué)領(lǐng)域中，操作系統(tǒng)（OS）是一種基本軟件，為各種程序提供資源和服務(wù)，如內(nèi)存，進程管理和文件系統(tǒng)等。Linux是一種Unix操作系統(tǒng)，以其開放源代碼，高度可定制性和普及性而聞名于世。 對于Linux驅(qū)動程序而言，一個同樣重要的組成部分——字符驅(qū)動程序，是一個相當重要的技術(shù)，它包含在Linux內(nèi)核中，并與硬件通信。
什么是Linux字符驅(qū)動程序？
字符設(shè)備是那些以字節(jié)流的形式傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備。相對于塊設(shè)備（例如硬盤和USB存儲設(shè)備）和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如Wi-Fi和以太網(wǎng)），字符設(shè)備是跨越多種設(shè)備類型及其驅(qū)動程序并作為文件流傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備。典型的字符設(shè)備對象包括串口，終端，打印機，聲卡和USB輸入設(shè)備等。
Linux字符設(shè)備驅(qū)動是一種硬件抽象層，在應(yīng)用程序和硬件設(shè)備之間提供通信接口。 Linux內(nèi)核提供了一個框架以允許創(chuàng)建字符設(shè)備驅(qū)動程序，而這些驅(qū)動程序可以與用戶空間的應(yīng)用程序通信。
Linux字符驅(qū)動函數(shù)
Linux字符設(shè)備驅(qū)動程序依靠操作系統(tǒng)提供的常規(guī)函數(shù)進行操作。 在Linux內(nèi)核中，與字符設(shè)備驅(qū)動器相關(guān)聯(lián)的常規(guī)函數(shù)包括open，read，write，ioctl和release等。下面將對這些函數(shù)進行更詳細的說明：
1. open（）
open函數(shù)被用來初始化字符設(shè)備驅(qū)動程序和硬件，以便在應(yīng)用程序和設(shè)備之間建立數(shù)據(jù)傳輸通道。 open（）函數(shù)接受兩個參數(shù)：filename和flags。 filename是字符串類型的文件名，引用指定的設(shè)備節(jié)點。 flags參數(shù)包含一組位標識，它們可以影響打開設(shè)備所執(zhí)行的操作。
2. read（）
read函數(shù)用于從用戶緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到設(shè)備。 read（）函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)是：
ssize_t read(struct file *filp, char *buf, size_t count, loff_t *f_pos);
3. write（）
write函數(shù)將應(yīng)用程序緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入設(shè)備。 它的一般格式為：
ssize_t write(struct file *filp, const char *buf, size_t count, loff_t *f_pos);
4. ioctl（）
ioctl函數(shù)也被稱為設(shè)備IO控制器，用于與設(shè)備交互數(shù)據(jù)，并且只能由特定驅(qū)動程序內(nèi)部調(diào)用。 ioctl（）函數(shù)的基本格式是：
int ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
5. release（）
最后一個函數(shù)釋放設(shè)備并與其關(guān)聯(lián)的驅(qū)動程序。 release（）函數(shù)的基本構(gòu)造如下所示：
int release(struct inode *inode, struct file *filp);
Linux字符驅(qū)動文件
在Linux內(nèi)核中創(chuàng)建字符設(shè)備驅(qū)動程序間需要使用兩個主要文件：驅(qū)動程序文件和設(shè)備節(jié)點文件。 設(shè)備節(jié)點文件是用戶程序和驅(qū)動程序交互的橋梁。
可以在/dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點文件。然后，可以使用mknod命令將字符設(shè)備節(jié)點文件與驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)。 設(shè)備節(jié)點使用mknod命令創(chuàng)建，并通過major和minor numbers控制。 驅(qū)動程序可以通過這些數(shù)字將設(shè)備節(jié)點識別為其驅(qū)動程序的特定實例。 設(shè)備節(jié)點文件的內(nèi)容表示了設(shè)備節(jié)點的類型及其實例的major和minor numbers。
例如，以下mknod命令將創(chuàng)建名為my_device的設(shè)備節(jié)點：
sudo mknod /dev/my_device c
由于Linux分配給字符驅(qū)動的major number是唯一的，這樣可以確保命名不會與其他設(shè)備節(jié)點文件命名沖突。 minor number由驅(qū)動程序指定，用于識別設(shè)備節(jié)點的特定實例。
字符驅(qū)動程序注冊
當內(nèi)核啟動時，驅(qū)動程序應(yīng)使用一些信息來注冊內(nèi)核中的內(nèi)容。 驅(qū)動程序使用register_chrdev（）函數(shù)注冊驅(qū)動程序，并通過調(diào)用該函數(shù)來提供驅(qū)動程序的所有信息。
在主函數(shù)中，通過調(diào)用函數(shù)register_chrdev（）傳遞應(yīng)使用的major number，第二個參數(shù)是與此設(shè)備的主要驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)的驅(qū)動程序名稱。 驅(qū)動程序的名稱可以是任何字符串。 在設(shè)備注冊完成后，可以使用字符設(shè)備名稱打開設(shè)備節(jié)點。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- LINUX 終端設(shè)備驅(qū)動？
LINUX 終端設(shè)備驅(qū)動？
在Linux系統(tǒng)中，終端是一種字符型設(shè)備，它有多種類型，通常使用tty (Teletype）來簡稱各種類型的終端設(shè)備。對于嵌入式系統(tǒng)而言，最普遍采用的是UART (Universal Asynchronous Receiver/Tranitter)串行端口，日常生活中簡稱串口。
Linux內(nèi)核中tty的層次結(jié)構(gòu)它包含tty核心tty_10.c、tty或路規(guī)在n_tty.C(頭現(xiàn)N_11Y線路規(guī)程）和tty驅(qū)動實例xxx_tty.c，激慧tty線路規(guī)程的工作是以特殊的方式格式化從一個用戶或者硬件收到的數(shù)據(jù)，這種格式化常常采用一個協(xié)議轉(zhuǎn)換的形式tty _io.c本身是一個標準的字符設(shè)備驅(qū)動，它對上有字符改備的職貢，買現(xiàn)tle_operatIonS雙貝圖效。但是tty核心層對下又定義了tty_driver的架構(gòu)，這樣tty設(shè)備驅(qū)動的主體工作就變成了琪允tty_driVeT依構(gòu)體中的成員，實現(xiàn)其中的tty_operations的成員函數(shù)，而不再是去實現(xiàn)file_operations這一級的工作。tty設(shè)枯衡備發(fā)送數(shù)據(jù)的流程為:tty核心從一個用戶獲取將要發(fā)送給一個tty設(shè)備的數(shù)據(jù)，tty核心將數(shù)據(jù)傳遞給tty線路規(guī)程驅(qū)動，接著數(shù)據(jù)被傳遞到tty驅(qū)動，tty驅(qū)動將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以發(fā)送給硬件的格式。接收數(shù)據(jù)的流程為:從tty硬件接收到的數(shù)據(jù)向上交給tty驅(qū)動，接著進入tty線路規(guī)程驅(qū)動，再進入tty核心，在這里它被一個用戶獲取。盡管一個特定的底層UART設(shè)備驅(qū)動完全可以遵循上述tty_driver的方法來設(shè)計，即定義tty_driver并實現(xiàn)tty_operations中的成員函數(shù)，但是鑒于串口之間的共性，Linux考慮在文件drivers’ttyliserial’serial_core.c中實現(xiàn)了UART設(shè)備的通用tty驅(qū)動層（我們可以稱其為串口核心層)。這樣，UART驅(qū)動的明敗答主要任務(wù)就進一步演變成了實現(xiàn)serial-core.c中定義的一組uart_xxx接口而不是tty_xxx接口。因此，按照面向?qū)ο蟮乃枷耄梢哉J為tty_driver是字符設(shè)備的泛化、serial-core是tty_driver的泛化，而具體的串口驅(qū)動又是serial-core的泛化。
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本文標題：深入探究：Linux字符驅(qū)動的工作原理(linux字符驅(qū)動)
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