众所周知，Linux内核主要包括三种驱动模型，字符设备驱动，块设备驱动以及网络设备驱动。
其中，Linux字符设备驱动，可以说是Linux驱动开发中最常见的一种驱动模型。
我们该系列文章，主要为了帮助大家快速入门Linux驱动开发，该篇主要来了解一些字符设备驱动的框架和机制。
系列文章基于
Kernel 4.19
struct cdev {
struct kobject kobj;
struct module *owner;
const struct file_operations *ops;
struct list_head list;
dev_t dev;
unsigned int count;
} __randomize_layout;
结构体名称：cdev
文件位置：include/linux/cdev.h
主要作用：cdev可以理解为char device，用来抽象一个字符设备。
核心成员及含义：
kobj：表示一个内核对象。owner：指向该模块的指针ops：指向文件操作的指针，包括open、read、write等操作接口list：用于将该设备加入到内核模块链表中dev：设备号，由主设备号和次设备号构成count：表示有多少个同类型设备，也间接表示设备号的范围__randomize_layout：一个编译器指令，用于随机化结构体的布局，以增加安全性。
struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
__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 *);
unsigned long mmap_supported_flags;
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
int (*check_flags)(int);
int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
loff_t len);
void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMU
unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,
loff_t, size_t, unsigned int);
int (*clone_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t,
u64);
int (*dedupe_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t,
u64);
int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
} __randomize_layout;
结构体名称：file_operations
文件位置：include/linux/fs.h
主要作用：正如其名，主要用来描述文件操作的各种接口，Linux一切接文件的思想，内核想要操作哪个文件，都需要通过这些接口来实现。
核心成员及含义：
open：打开文件的函数read：读取文件的函数。write：写入文件的函数。release：关闭文件的函数。flush：刷新文件的函数，通常在关闭文件时调用。llseek：改变文件读写指针位置的函数。fsync：将文件数据同步写入磁盘的函数。poll：询问文件是否可被非阻塞读写
typedef u32 __kernel_dev_t;
typedef __kernel_dev_t dev_t;
类型名称：dev_t
文件位置：include/linux/types.h
主要作用：表示字符设备对应的设备号，其中包括主设备号和次设备号。
上图绘制是对字符设备驱动程序的数据结构以及
API的关系图，有需要原始文件，可在公~号【嵌入式艺术】获取。
驱动首先实现的就是加载和卸载函数，也是驱动程序的入口函数。
我们一般这么定义驱动的加载卸载函数：
static int __init xxx_init(void)
{
}
static void __exit xxx_exit(void)
{
}
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);
这段代码就是实现一个通用驱动的加载与卸载，关于module_init和module_exit的实现机制，可以查看之前总结文章。
每一类字符设备都有一个唯一的设备号，其中设备号又分为主设备号和次设备号，那么这两个分别作用是什么呢？
简单来说，主设备号用于区分是
IIC设备还是SPI设备，而次设备号用于区分IIC设备下，具体哪一个设备，是MPU6050还是EEPROM。
了解了设备号的概念，
Linux中设备号有那么多，那么我们该如何去使用正确的设备号呢？
设备号的分配方式有两种，一种是动态分配，另一种是静态分配，也可以理解为一种是内核自动分配，一种是手动分配。
静态分配函数：
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
from：表示已知的一个设备号count：表示连续设备编号的个数，（同类型的设备有多少个）name：表示设备或者驱动的名称函数作用：以from设备号开始，连续分配count个同类型的设备号
**动态分配函数**：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);
dev：设备号的指针，用于存放分配的设备号的值baseminor：次设备号开始分配的起始值count：表示连续设备编号的个数，（同类型的设备有多少个）name：表示设备或者驱动的名称函数作用：从baseminor次设备号开始，连续分配count个同类型的设备号，并自动分配一个主设备号，将主、次组成的设备号信息赋值给*dev
**这两个函数最大的区别在于**：
register_chrdev_region：调用前，已预先定义好了主设备号和次设备号，调用该接口后，会将自定义的设备号登记加入子系统中，方便系统追踪系统设备号的使用情况。alloc_chrdev_region：调用前，未定义主设备号和次设备号；调用后，主设备号以0来表示，以自动分配，并且将自动分配的设备号，同样加入到子系统中，方便系统追踪系统设备号的使用情况。
这两个函数的共同点在于：
系统维护了一个数组列表，用来登记所有的已使用的设备号信息，这两个接口归根到底也是将其设备号信息，登记到系统维护的设备号列表中，以免后续冲突使用。
在Linux中，我们可以通过cat /proc/devices命令，查看所有i登记的设备号列表。
后面有时间，我们可以详细聊设备号的自动分配机制，管理机制。
设备号作为一种系统资源，当所对应的设备卸载时，当然也要将其所占用的设备号归还给系统，无论时静态分配，还是动态分配，最终都是调用下面函数来注销的。
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
from：表示已知的一个设备号count：表示连续设备编号的个数，（同类型的设备有多少个）函数作用：要注销from主设备号下的连续count个设备
设备号的管理很简单，在关键数据结构中，我们看到设备号的类型是dev_t，也就是u32类型表示的一个数值。
其中主设备号和次设备号的分界线，由MINORBITS宏定义指定：
#define MINORBITS 20
也就是主设备号占用高12bit，次设备号占用低20bit
并且，内核还提供了相关API接口，来获取主设备号和次设备号，以及生成设备号的接口，如下：
#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1)
#define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))
以上，通过移位操作，来实现主次设备号的获取。
#define CUSTOM_DEVICE_NUM 0
#define DEVICE_NUM 1
#device DEVICE_NAME "XXXXXX"
static dev_t global_custom_major = CUSTOM_DEVICE_NUM;
static int __init xxx_init(void)
{
dev_t custom_device_number= MKDEV(global_custom_major, 0); // custom device number
/* device number register*/
if (global_custom_major) {
ret = register_chrdev_region(custom_device_number, DEVICE_NUM, DEVICE_NAME);
} else {
ret = alloc_chrdev_region(&custom_device_number, 0, DEVICE_NUM, DEVICE_NAME);
global_custom_major = MAJOR(custom_device_number);
}
}
static void __exit xxx_exit(void)
{
unregister_chrdev_region(MKDEV(global_mem_major, 0), DEVICE_NUM);
}
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);
该函数实现了设备号的分配，如果主设备号为0，则采用动态配分的方式，否则采用静态分配的方式。
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了解完设备号的管理之后，我们来看下字符设备是如何管理的。
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops);
cdev：一个字符设备对象，也就是我们创建好的字符设备fops：该字符设备的文件处理接口函数作用：初始化一个字符设备，并且将所对应的文件处理指针与字符设备绑定起来。
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);
p：一个字符设备指针，只想待添加的字符设备对象dev：该字符设备所负责的第一个设备编号count：该类型设备的个数函数作用：添加一个字符设备驱动到Linux系统中。
void cdev_del(struct cdev *p);
p：指向字符设备对象的指针函数作用：从系统中移除该字符设备驱动
因为在Linux中，一切皆文件的思想，所以每一个字符设备，也都有一个文件节点来对应。
我们在初始化字符设备的时候，会将struct file_operations的对象与字符设备进行绑定，其作用是来处理该字符设备的open、read、write等操作。
我们要做的就是去实现我们需要的函数接口，如：
static const struct file_operations global_mem_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = global_mem_llseek,
.read = global_mem_read,
.write = global_mem_write,
.unlocked_ioctl = global_mem_ioctl,
.open = global_mem_open,
.release = global_mem_release,
};
至此，我们一个基本的字符设备驱动程序的框架就基本了然于胸了
本篇文章，旨在通俗易懂的讲解：
API接口希望对大家有所帮助。
