[系统运维] 鸿蒙内核源码分析(字符设备篇) | 字节为单位读写的设备 | 百篇博客分析OpenHarmony源码

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[系统运维]鸿蒙内核源码分析(字符设备篇) | 字节为单位读写的设备 | 百篇博客分析OpenHarmony源码 | v67.01

百篇博客系列篇.本篇为:

v67.xx 鸿蒙内核源码分析(字符设备篇) | 字节为单位读写的设备 | 51 .c .h .o

文件系统相关篇为:

什么是设备

设备(device): 是提供输入或输出功能的一种载体,其包括物理设备(对实际存在的物理硬件的抽象)例如，键盘是一种输入设备,硬盘是输入和输出设备。也包括虚拟设备(不依赖于特定的物理硬件，仅是内核自身提供的模拟/虚拟功能). 例如:虚拟控制台是输入和输出设备。每个设备都对应一个文件(设备文件),这些设备文件统一放在一个公共位置/dev下，通过设备文件（或称设备节点）来使用驱动程序操作设备。

设备按照存取方式的不同,分为两类：

字符设备: 字符设备按字符处理。最明显的例子是键盘，其中每个键在设备上生成一个字符。还有鼠标,每一个动作或按钮点击都会发送一个字符到 /dev/mouse 设备。字符设备可理解为商品零售商,可以一件一件的卖,卖的细自然就卖的少.
块设备:以更大的块读取数据的存储设备，如IDE硬盘也叫机械硬盘（/dev/hd）、SCSI硬盘也叫固态硬盘(/dev/sd) 和 CD-ROM (/dev/cdrom) 是块设备。输入输出与块设备的交互处理数据块，允许大量数据来回移动提高效率。块设备可理解为商品批发商,必须一箱一箱的卖,卖的粗但吞吐量大.
字符设备还是块设备的定义属于内核设备访问层，与实际物理设备的特性无必然联系。设备访问层下面是驱动程序，存取方式取决于驱动程序是否支持,也可以同时支持两种方式访问物理设备,是块设备还是字符设备由使用者(往往是内核)决定。

鸿蒙系统中常见的字符设备如下:

mem | 内存设备

  /dev/mem         物理内存的全镜像。可以用来直接存取物理内存。
  /dev/kmem        内核看到的虚拟内存的全镜像。其访问的是虚拟内存而不是物理内存。
  /dev/null        空设备。也叫黑洞设备,任何写入都将被直接丢弃(但返回"成功")；任何读取都将得到EOF(文件结束标志)。
  /dev/port        存取I/O端口
  /dev/zero        零流源。任何写入都将被直接丢弃(但返回"成功")；任何读取都将得到无限多的二进制零流。
  /dev/full        满设备。任何写入都将失败，并把errno设为ENOSPC(没有剩余空间)；任何读取都将得到无限多的二进制零流。
                   这个设备通常被用来测试程序在遇到磁盘无剩余空间错误时的行为。
  /dev/random      真随机数发生器。以背景噪声数据或硬件随机数发生器作为熵池，读取时会返回小于熵池噪声总数的随机字节。
                   若熵池空了，读操作将会被阻塞，直到收集到了足够的环境噪声为止。建议用于需要生成高强度密钥的场合。
                   [注意]虽然允许写入，但企图通过写入此文件来"预存"随机数是徒劳的，因为写入的数据对输出并无影响。
  /dev/urandom     伪随机数发生器。更快，但是不够安全。仅用于对安全性要求不高的场合。
                   即使熵池空了，读操作也不会被阻塞，而是把已经产生的随机数做为种子来产生新的随机数。
                   [注意]虽然允许写入，但企图通过写入此文件来"预存"随机数是徒劳的，因为写入的数据对输出并无影响。
  /dev/aio         异步I/O通知接口
  /dev/kmsg        任何对该文件的写入都将作为printk的输出；而读取则得到printk的输出缓冲区内容。

在鸿蒙,/dev/mem 是一个字符设备, 源文件是 kernel/drivers/char/mem/src/mem.c, 这个设备文件是专门用来读写物理地址用的。里面的内容是所有物理内存的地址以及内容信息。通常只有root用户对其有读写权限。利用 mmap和/dev/mem建立起直接读写系统物理内存的渠道。利用/dev/mem和mmap导出系统物理地址，免去了用户虚拟地址到内核逻辑地址的繁琐拷贝，提升效率。

//文件和线性区的映射关系
static ssize_t MemMap(struct file *filep, LosVmMapRegion *region)
{
#ifdef LOSCFG_KERNEL_VM
    size_t size = region->range.size;
    PADDR_T paddr = region->pgOff << PAGE_SHIFT;
    VADDR_T vaddr = region->range.base;
    LosVmSpace *space = LOS_SpaceGet(vaddr);

    if ((paddr >= SYS_MEM_BASE) && (paddr < SYS_MEM_END)) {
        return -EINVAL;
    }

    /* Peripheral register memory adds strongly ordered attributes */
    region->regionFlags |= VM_MAP_REGION_FLAG_STRONGLY_ORDERED;

    if (space == NULL) {
        return -EAGAIN;
    }//映射
    if (LOS_ArchMmuMap(&space->archMmu, vaddr, paddr, size >> PAGE_SHIFT, region->regionFlags) <= 0) {
        return -EAGAIN;
    }
#else
    UNUSED(filep);
    UNUSED(region);
#endif
    return 0;
}
// vfs 接口实现
  static const struct file_operations_vfs g_memDevOps = {
      MemOpen,  /* open */
      MemClose, /* close */
      MemRead,  /* read */
      MemWrite, /* write */
      NULL,      /* seek */
      NULL,      /* ioctl */
      MemMap,   /* mmap */
  #ifndef CONFIG_DISABLE_POLL
      NULL,      /* poll */
  #endif
      NULL,      /* unlink */
  };
  // 注册/dev/mem 的驱动程序
  int DevMemRegister(void)
  {
      return register_driver("/dev/mem", &g_memDevOps, 0666, 0); /* 0666: file mode */
  }

tty | 终端设备

TTY 是 Teletype 或 Teletypewriter 的缩写，原来是指电传打字机，后来这种设备逐渐键盘和显示器取代。不管是电传打字机还是键盘显示器，都是作为计算机的终端设备存在的，所以 TTY 也泛指计算机的终端(terminal)设备,一般分成以下几种

串行端口终端（/dev/ttySn）
伪终端（/dev/pty/）
控制终端（/dev/tty）
控制台终端（/dev/ttyn, /dev/console）,将在后续 控制台篇 中详细说明

RTC | 时钟设备

/dev/rtc         实时时钟(Real Time Clock)

RTC(real-time clock)为操作系统中的实时时钟设备，为操作系统提供精准的实时时间和定时报警功能。当设备下电后，通过外置电池供电，RTC继续记录操作系统时间；设备上电后，RTC提供实时时钟给操作系统，确保断电后系统时间的连续性
RTC它可以用于产生年、月、日、时、分、秒等信息。目前实时时钟芯片大多采用精度较高的晶体振荡器作为时钟源。有些时钟芯片为了在主电源掉电时还可以工作，会外加电池供电，使时间信息一直保持有效。

鸿蒙RTC设备API接口功能介绍

RtcOpen         获取RTC设备驱动句柄
RtcClose        释放RTC设备驱动句柄
RtcReadTime     读RTC时间信息，包括年、月、星期、日、时、分、秒、毫秒
RtcWriteTime    写RTC时间信息，包括年、月、星期、日、时、分、秒、毫秒
RtcReadAlarm    读RTC报警时间信息
RtcWriteAlarm   写RTC报警时间信息
RtcRegisterAlarmCallback    注册报警超时回调函数
RtcAlarmInterruptEnable     使能/去使能RTC报警中断
RtcGetFreq      读RTC外接晶振频率
RtcSetFreq      配置RTC外接晶振频率
RtcReset        RTC复位
RtcReadReg      读用户自定义寄存器
RtcWriteReg     写用户自定义寄存器

I2C | 总线设备

/dev/i2c-0       第1个 I2C 适配器
...
/dev/i2c-n       第n-1个 I2C 适配器

I2C(Inter Integrated Circuit)总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。
I2C以主从方式工作，通常有一个主设备和一个或者多个从设备，主从设备通过SDA(SerialData)串行数据线以及SCL(SerialClock)串行时钟线两根线相连，如下图所示。
I2C数据的传输必须以一个起始信号作为开始条件，以一个结束信号作为传输的停止条件。数据传输以字节为单位，高位在前，逐个bit进行传输。
I2C总线上的每一个设备都可以作为主设备或者从设备，而且每一个设备都会对应一个唯一的地址，当主设备需要和某一个从设备通信时，通过广播的方式，将从设备地址写到总线上，如果某个从设备符合此地址，将会发出应答信号，建立传输。
I2C接口定义了完成I2C传输的通用方法集合，包括：
- I2C控制器管理: 打开或关闭I2C控制器
- I2C消息传输：通过消息传输结构体数组进行自定义传输

鸿蒙I2C驱动API接口功能介绍

I2cOpen     打开I2C控制器
I2cClose    关闭I2C控制器
I2cTransfer 自定义传输,I2c消息传输接口

SPI | 串行外设设备

SPI是串行外设接口（Serial Peripheral Interface）的缩写，是一种高速的，全双工，同步的通信总线。
SPI是由Motorola公司开发，用于在主设备和从设备之间进行通信，常用于与闪存、实时时钟、传感器以及模数转换器等进行通信。
SPI以主从方式工作，通常有一个主设备和一个或者多个从设备。主设备和从设备之间一般用4根线相连，它们分别是：
- SCLK – 时钟信号，由主设备产生；（Serial Clock）
- MOSI – 主设备数据输出，从设备数据输入；（SPI Bus Master Output/Slave Input）
- MISO – 主设备数据输入，从设备数据输出；（SPI Bus Master Input/Slave Output)。
- CS – 片选，从设备使能信号，由主设备控制。(Chip select)
- SPI主从设备连接示意图
SPI通信通常由主设备发起，通过以下步骤完成一次通信：
- 通过CS选中要通信的从设备，在任意时刻，一个主设备上最多只能有一个从设备被选中。
- 通过SCLK给选中的从设备提供时钟信号。
- 基于SCLK时钟信号，主设备数据通过MOSI发送给从设备，同时通过MISO接收从设备发送的数据，完成通信。
根据SCLK时钟信号的CPOL（Clock Polarity，时钟极性）和CPHA（Clock Phase，时钟相位）的不同组合，SPI有以下四种工作模式：
- CPOL=0，CPHA=0 时钟信号idle状态为低电平，第一个时钟边沿采样数据。
- CPOL=0，CPHA=1 时钟信号idle状态为低电平，第二个时钟边沿采样数据。
- CPOL=1，CPHA=0 时钟信号idle状态为高电平，第一个时钟边沿采样数据。
- CPOL=1，CPHA=1 时钟信号idle状态为高电平，第二个时钟边沿采样数据。
SPI接口定义了操作SPI设备的通用方法集合，包括：
- SPI设备句柄获取和释放。
- SPI读写: 从SPI设备读取或写入指定长度数据。
- SPI自定义传输：通过消息传输结构体执行任意读写组合过程。
- SPI设备配置：获取和设置SPI设备属性。

鸿蒙SPI驱动API接口功能介绍

SpiOpen     获取SPI设备句柄
SpiClose    释放SPI设备句柄
SpiRead     读取指定长度的数据
SpiWrite    写入指定长度的数据
SpiTransfer SPI数据传输接口
SpiSetCfg   根据指定参数，配置SPI设备
SpiGetCfg   获取SPI设备配置参数

UART | 串口设备

/dev/ttyS0       第1个UART串口(Serial port)
...
/dev/ttyS200     第199个UART串口

串口设备是终端设备的一种,采用 /dev/ttySn 或 /dev/tts/n 来表示,分别对应于windows系统下的COM1、COM2等。若要向一个端口发送数据，可以在命令行上把标准输出重定向到这些特殊文件名上即可,例如，在命令行提示符下键入：echo test > /dev/ttyS1会把单词”test”发送到连接在ttyS1(COM2)端口的设备上。
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）通用异步收发传输器，UART 作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。是在应用程序开发过程中使用频率最高的数据总线。
UART应用比较广泛，常用于输出打印信息，也可以外接各种模块，如GPS、蓝牙等。
UART 串口的特点是将数据一位一位地顺序传送，只要 2 根传输线就可以实现双向通信，一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。UART 串口通信有几个重要的参数，分别是波特率、起始位、数据位、停止位和奇偶检验位，对于两个使用 UART 串口通信的端口，这些参数必须匹配，否则通信将无法正常完成。UART 串口传输的数据格式如下图所示：
- 起始位：表示数据传输的开始，电平逻辑为 “0” 。
- 数据位：可能值有 5、6、7、8、9，表示传输这几个 bit 位数据。一般取值为 8，因为一个 ASCII 字符值为 8 位。
- 奇偶校验位：用于接收方对接收到的数据进行校验，校验 “1” 的位数为偶数(偶校验)或奇数(奇校验)，以此来校验数据传送的正确性，使用时不需要此位也可以。
- 停止位：表示一帧数据的结束。电平逻辑为 “1”。
- 波特率：串口通信时的速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)数来表示，其单位为每秒比特数 bit/s(bps)。常见的波特率值有 4800、9600、14400、38400、115200等，数值越大数据传输的越快，波特率为 115200 表示每秒钟传输 115200 位数据。
UART接口定义了操作UART端口的通用方法集合，包括获取、释放设备句柄、读写数据、获取和设置波特率、获取和设置设备属性。

鸿蒙UART驱动API接口功能介绍

UartOpen  UART获取设备句柄
UartClose UART释放设备句柄
UartRead  从UART设备中读取指定长度的数据
UartWrite 向UART设备中写入指定长度的数据
UartGetBaud   UART获取波特率
UartSetBaud   UART设置波特率
UartGetAttribute  UART获取设备属性
UartSetAttribute  UART设置设备属性
UartSetTransMode  UART设置传输模式

LCD | 屏显设备

/dev/lcd         液晶(LCD)显示屏

LCD（Liquid Crystal Display）液晶显示驱动，对LCD进行上电，并通过接口初始化LCD内部寄存器，使LCD正常工作。Display驱动模型基于HDF（ Hardware Driver Foundation）驱动框架开发，实现跨OS、跨平台，为LCD硬件提供上下电功能、发送初始化序列功能，使LCD进入正常的工作模式，显示芯片平台侧的图像数据.
基于HDF驱动框架的Display驱动模型

Touchscreen | 触摸设备

Touch（触摸芯片）是 UI 设计中进行人机交互重要的一部分，一个完整的 UI 设计应该包括输入信息和输出信息，LCD 等屏幕设备负责显示输出，那么 Touch 设备就负责触点信息采集作为信息输入。
Touch 设备与主机通讯一般都是采用 I2C 总线协议来进行数据交互，所以一个 Touch 设备，就是一个标准的 I2C 从设备，而且为了提高接收 Touch 数据的实时性，触摸芯片都会提供中断支持，当有触摸事件(抬起，按下，移动)发生时，会触发中断通知 MCU 有触摸事件。主机可以通过中断回调函数去读取触摸点信息。
Touchscreen器件的硬件接口相对简单，根据PIN脚的属性，可以简单分为如下三类:
- 电源接口
- IO控制接口
- 通信接口
Touchscreen驱动用于驱动触摸屏使其正常工作，该驱动主要完成如下工作：对触摸屏驱动IC进行上电、配置硬件管脚并初始化其状态、注册中断、配置通信接口（I2C或SPI）、设定input相关配置、下载及更新固件等操作。
鸿蒙基于input驱动模型开发touchscreen器件驱动。Input驱动模型基于HDF驱动框架、PLATFORM接口、OSAL接口进行开发，向上对接规范化的驱动接口HDI（Hardware Driver Interface）层，通过Input-HDI层对外提供硬件能力，即上层input service可以通过HDI接口层获取相应的驱动能力，进而操控touchscreen等输入设备。
基于HDF驱动框架的input驱动模型

sensor | 传感设备

/dev/biometric/sensor0/fingerprint  第1个设备的第1个指纹传感器
/dev/biometric/sensor0/iris         第1个设备的第1个虹膜传感器
/dev/biometric/sensor0/retina       第1个设备的第1个视网膜传感器
/dev/biometric/sensor0/voiceprint   第1个设备的第1个声波传感器
/dev/biometric/sensor0/facial       第1个设备的第1个面部传感器
/dev/biometric/sensor0/hand         第1个设备的第1个手掌传感器
/dev/biometric/sensor1/fingerprint  第2个设备的第1个指纹传感器
/dev/biometric/sensor2/fingerprint  第3个设备的第1个指纹传感器

Sensor（传感器）是物联网重要的一部分，Sensor 之于物联网”就相当于“眼睛之于人类"。人类如果没有了眼睛就看不到这大千的花花世界，对于物联网来说也是一样。
如今随着物联网的发展，已经有大量的 Sensor 被开发出来供开发者选择了，如：加速度计(Accelerometer)、磁力计(Magnetometer)、陀螺仪(Gyroscope)、气压计(Barometer/pressure)、湿度计(Humidometer)等。这些传感器，世界上的各大半导体厂商都有生产，虽然增加了市场的可选择性，同时也加大了应用程序开发的难度。因为不同的传感器厂商、不同的传感器都需要配套自己独有的驱动才能运转起来，这样在开发应用程序的时候就需要针对不同的传感器做适配，自然加大了开发难度。
为了降低应用开发的难度，增加传感器驱动的可复用性, 鸿蒙Sensor（传感器）驱动模块为上层Sensor服务系统提供稳定的Sensor基础能力API，包括Sensor列表查询、Sensor启停、Sensor订阅及去订阅，Sensor参数配置等功能；基于HDF（Hardware Driver Foundation）驱动框架开发的Sensor驱动模型，实现跨操作系统迁移，器件差异配置等功能。
鸿蒙Sensor驱动模型图

watchdog | 看门狗

/dev/watchdog    看门狗(CONFIG_WATCHDOG)
/dev/watchdogs/0 第一只看门狗
...
/dev/watchdogs/n 第n-1只看门狗

硬件看门狗（watchdog timer）是一个定时器，其定时输出连接到电路的复位端。在产品化的嵌入式系统中，为了使系统在异常情况下能自动复位，一般都需要引入看门狗。
当看门狗启动后，计数器开始自动计数，在计数器溢出前如果没有被复位，计数器溢出就会对 CPU 产生一个复位信号使系统重启（俗称 “被狗咬”）。系统正常运行时，需要在看门狗允许的时间间隔内对看门狗计数器清零（俗称“喂狗“），不让复位信号产生。如果系统不出问题，程序能够按时“喂狗”。一旦程序跑飞，没有“喂狗”，系统“被咬” 复位。

鸿蒙看门狗 API接口功能介绍

WatchdogOpen  打开看门狗设备
WatchdogClose 关闭看门狗设备
WatchdogStart 启动看门狗
WatchdogStop  停止看门狗
WatchdogSetTimeout  设置看门狗超时时间
WatchdogGetTimeout  获取看门狗超时时间
WatchdogGetStatus 获取看门狗状态
WatchdogFeed      清除看门狗定时器(喂狗)

WLAN | 无线网络设备

WLAN是基于HDF（Hardware Driver Foundation）驱动框架开发的模块，该模块可实现跨操作系统迁移，自适应器件差异，模块化拼装编译等功能。各WLAN厂商驱动开发人员可根据WLAN模块提供的向下统一接口适配各自的驱动代码，实现如下能力：建立/关闭WLAN热点、扫描、关联WLAN热点等；对HDI层向上提供能力如下：设置MAC地址、设置发射功率、获取设备的MAC地址等。
WLAN框架
WLAN模块有三部分对外开放的API接口
- 对HDI层提供的能力接口。
- 驱动直接调用WLAN模块能力接口。
- 提供给各厂商实现的能力接口。