linux字符设备驱动框架（三）
一、字符设备基础知识
1、设备驱动分类
linux系统将设备分为3类：字符设备、块设备、网络设备。使用驱动程序：
字符设备：是指只能一个字节一个字节读写的设备，不能随机读取设备内存中的某一数据，读取数据需要按照先后数据。字符设备是面向流的设备，常见的字符设备有鼠标、键盘、串口、控制台和LED设备等。
块设备：是指可以从设备的任意位置读取一定长度数据的设备。块设备包括硬盘、磁盘、U盘和SD卡等。
每一个字符设备或块设备都在/dev目录下对应一个设备文件。linux用户程序通过设备文件（或称设备节点）来使用驱动程序操作字符设备和块设备。
2、字符设备、字符设备驱动与用户空间访问该设备的程序三者之间的关系
如图，在Linux内核中：
a -- 使用cdev结构体来描述字符设备;
b -- 通过其成员dev_t来定义设备号（分为主、次设备号）以确定字符设备的唯一性;
c -- 通过其成员file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数，如常见的open()、read()、write()等;
在Linux字符设备驱动中:
a -- 模块加载函数通过 register_chrdev_region( ) 或 alloc_chrdev_region( )来静态或者动态获取设备号;
b -- 通过 cdev_init( ) 建立cdev与 file_operations之间的连接，通过 cdev_add( ) 向系统添加一个cdev以完成注册;
c -- 模块卸载函数通过cdev_del( )来注销cdev，通过 unregister_chrdev_region( )来释放设备号;
用户空间访问该设备的程序:
a -- 通过Linux系统调用，如open( )、read( )、write( )，来“调用”file_operations来定义字符设备驱动提供给VFS的接口函数;
3、字符设备驱动模型
二、cdev 结构体解析
在Linux内核中，使用cdev结构体来描述一个字符设备，cdev结构体的定义如下：
-
-
-
struct cdev {
-
struct kobject kobj;
//内嵌的内核对象.
-
struct module *owner;
//该字符设备所在的内核模块的对象指针.
-
const
struct file_operations *ops;
//该结构描述了字符设备所能实现的方法，是极为关键的一个结构体.
-
struct list_head list;
//用来将已经向内核注册的所有字符设备形成链表.
-
dev_t dev;
//字符设备的设备号，由主设备号和次设备号构成.
-
unsigned
int count;
//隶属于同一主设备号的次设备号的个数.
-
};
内核给出的操作struct cdev结构的接口主要有以下几个:
a -- void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);
其源代码如代码清单如下：
-
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
-
{
-
memset(cdev,
0,
sizeof *cdev);
-
INIT_LIST_HEAD(&cdev->
list);
-
kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);
-
cdev->ops = fops;
-
}
(1) 将整个结构体清零；
(2) 初始化list成员使其指向自身；
(3) 初始化kobj成员；
(4) 初始化ops成员；
b --struct cdev *cdev_alloc(void);
该函数主要分配一个struct cdev结构，动态申请一个cdev内存，并做了cdev_init中所做的前面3步初始化工作(第四步初始化工作需要在调用cdev_alloc后，显式的做初始化即: .ops=xxx_ops).
其源代码清单如下：
-
struct cdev *cdev_alloc(void)
-
{
-
struct cdev *p = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);
-
if (p) {
-
INIT_LIST_HEAD(&p->
list);
-
kobject_init(&p->kobj, &ktype_cdev_dynamic);
-
}
-
return p;
-
}
在上面的两个初始化的函数中，我们没有看到关于owner成员、dev成员、count成员的初始化；其实，owner成员的存在体现了驱动程序与内核模块间的亲密关系，struct module是内核对于一个模块的抽象，该成员在字符设备中可以体现该设备隶属于哪个模块，在驱动程序的编写中一般由用户显式的初始化 .owner = THIS_MODULE, 该成员可以防止设备的方法正在被使用时，设备所在模块被卸载。而dev成员和count成员则在cdev_add中才会赋上有效的值。
c -- int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);
该函数向内核注册一个struct cdev结构，即正式通知内核由struct cdev *p代表的字符设备已经可以使用了。
当然这里还需提供两个参数：
(1)第一个设备号 dev，
(2)和该设备关联的设备编号的数量。
这两个参数直接赋值给struct cdev 的dev成员和count成员。
d -- void cdev_del(struct cdev *p)；
该函数向内核注销一个struct cdev结构，即正式通知内核由struct cdev *p代表的字符设备已经不可以使用了。
从上述的接口讨论中，我们发现对于struct cdev的初始化和注册的过程中，我们需要提供几个东西
(1) struct file_operations结构指针；
(2) dev设备号；
(3) count次设备号个数。
但是我们依旧不明白这几个值到底代表着什么，而我们又该如何去构造这些值！
三、设备号相应操作
1 -- 主设备号和次设备号（二者一起为设备号）：
一个字符设备或块设备都有一个主设备号和一个次设备号。主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序，用来反映设备类型。次设备号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备，用来区分同类型的设备。
linux内核中，设备号用dev_t来描述，2.6.28中定义如下：
typedef u_long dev_t;
在32位机中是4个字节，高12位表示主设备号，低20位表示次设备号。
内核也为我们提供了几个方便操作的宏实现dev_t：
1) -- 从设备号中提取major和minor
MAJOR(dev_t dev);
MINOR(dev_t dev);
2) -- 通过major和minor构建设备号
MKDEV(int major,int minor);
注：这只是构建设备号。并未注册，需要调用 register_chrdev_region 静态申请；
-
//宏定义：
-
#define MINORBITS 20
-
#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))
2、分配设备号（两种方法）：
a -- 静态申请：
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)；
其源代码清单如下：
-
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
-
{
-
struct char_device_struct *cd;
-
dev_t to = from + count;
-
dev_t n, next;
-
-
for (n = from; n < to; n = next) {
-
next = MKDEV(MAJOR(n)+
1,
0);
-
if (next > to)
-
next = to;
-
cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n),
-
next - n, name);
-
if (IS_ERR(cd))
-
goto fail;
-
}
-
return
0;
-
fail:
-
to = n;
-
for (n = from; n < to; n = next) {
-
next = MKDEV(MAJOR(n)+
1,
0);
-
kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n));
-
}
-
return PTR_ERR(cd);
-
}
b -- 动态分配：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)；
其源代码清单如下：
-
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,
-
const
char *name)
-
{
-
struct char_device_struct *cd;
-
cd = __register_chrdev_region(
0, baseminor, count, name);
-
if (IS_ERR(cd))
-
return PTR_ERR(cd);
-
*dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor);
-
return
0;
-
}
可以看到二者都是调用了__register_chrdev_region 函数，其源代码如下：
-
static
struct char_device_struct *
-
__register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor,
-
int minorct, const char *name)
-
{
-
struct char_device_struct *cd, **cp;
-
int ret =
0;
-
int i;
-
-
cd = kzalloc(
sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL);
-
if (cd ==
NULL)
-
return ERR_PTR(-ENOMEM);
-
-
mutex_lock(&chrdevs_lock);
-
-
/* temporary */
-
if (major ==
0) {
-
for (i = ARRAY_SIZE(chrdevs)
-1; i >
0; i--) {
-
if (chrdevs[i] ==
NULL)
-
break;
-
}
-
-
if (i ==
0) {
-
ret = -EBUSY;
-
goto out;
-
}
-
major = i;
-
ret = major;
-
}
-
-
cd->major = major;
-
cd->baseminor = baseminor;
-
cd->minorct = minorct;
-
strlcpy(cd->name, name,
sizeof(cd->name));
-
-
i = major_to_index(major);
-
-
for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next)
-
if ((*cp)->major > major ||
-
((*cp)->major == major &&
-
(((*cp)->baseminor >= baseminor) ||
-
((*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor))))
-
break;
-
-
/* Check for overlapping minor ranges. */
-
if (*cp && (*cp)->major == major) {
-
int old_min = (*cp)->baseminor;
-
int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct -
1;
-
int new_min = baseminor;
-
int new_max = baseminor + minorct -
1;
-
-
/* New driver overlaps from the left. */
-
if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) {
-
ret = -EBUSY;
-
goto out;
-
}
-
-
/* New driver overlaps from the right. */
-
if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) {
-
ret = -EBUSY;
-
goto out;
-
}
-
}
-
-
cd->next = *cp;
-
*cp = cd;
-
mutex_unlock(&chrdevs_lock);
-
return cd;
-
out:
-
mutex_unlock(&chrdevs_lock);
-
kfree(cd);
-
return ERR_PTR(ret);
-
}
二者应用可以简单总结如下：
register_chrdev_region alloc_chrdev_region
|
devno = MKDEV(major,minor);
ret = register_chrdev_region(devno, 1, "hello");
cdev_init(&cdev,&hello_ops);
ret = cdev_add(&cdev,devno,1);
|
alloc_chrdev_region(&devno, minor, 1, "hello");
major = MAJOR(devno);
cdev_init(&cdev,&hello_ops);
ret = cdev_add(&cdev,devno,1)
|
register_chrdev(major,"hello",&hello |
可以看到，除了前面两个函数，还加了一个register_chrdev 函数，可以发现这个函数的应用非常简单，只要一句就可以搞定前面函数所做之事；
下面分析一下register_chrdev 函数，其源代码定义如下：
-
static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
-
const struct file_operations *fops)
-
{
-
return __register_chrdev(major,
0,
256, name, fops);
-
}
-
int __register_chrdev(
unsigned
int major,
unsigned
int baseminor,
-
unsigned
int count,
const
char *name,
-
const struct file_operations *fops)
-
{
-
struct char_device_struct *cd;
-
struct cdev *cdev;
-
int err = -ENOMEM;
-
-
cd = __register_chrdev_region(major, baseminor, count, name);
-
if (IS_ERR(cd))
-
return PTR_ERR(cd);
-
-
cdev = cdev_alloc();
-
if (!cdev)
-
goto out2;
-
-
cdev->owner = fops->owner;
-
cdev->ops = fops;
-
kobject_set_name(&cdev->kobj,
"%s", name);
-
-
err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, baseminor), count);
-
if (err)
-
goto out;
-
-
cd->cdev = cdev;
-
-
return major ?
0 : cd->major;
-
out:
-
kobject_put(&cdev->kobj);
-
out2:
-
kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, baseminor, count));
-
return err;
-
}
3、注销设备号：
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)；
4、创建设备文件：
利用cat /proc/devices查看申请到的设备名，设备号。
1）使用mknod手工创建：mknod filename type major minor
2）自动创建设备节点:
利用udev（mdev）来实现设备文件的自动创建，首先应保证支持udev（mdev），由busybox配置。在驱动初始化代码里调用class_create为该设备创建一个class，再为每个设备调用device_create创建对应的设备。
详细解析见：Linux 字符设备驱动开发 （二）—— 自动创建设备节点
下面看一个实例,练习一下上面的操作：
hello.c
-
#include
-
#include
-
#include
-
static
int major =
250;
-
static
int minor =
0;
-
static
dev_t devno;
-
static
struct cdev cdev;
-
static int hello_open (struct inode *inode, struct file *filep)
-
{
-
printk(
"hello_open \n");
-
return
0;
-
}
-
static
struct file_operations hello_ops=
-
{
-
.open = hello_open,
-
};
-
-
static int hello_init(void)
-
{
-
int ret;
-
printk(
"hello_init");
-
devno = MKDEV(major,minor);
-
ret = register_chrdev_region(devno,
1,
"hello");
-
if(ret <
0)
-
{
-
printk(
"register_chrdev_region fail \n");
-
return ret;
-
}
-
cdev_init(&cdev,&hello_ops);
-
ret = cdev_add(&cdev,devno,
1);
-
if(ret <
0)
-
{
-
printk(
"cdev_add fail \n");
-
return ret;
-
}
-
return
0;
-
}
-
static void hello_exit(void)
-
{
-
cdev_del(&cdev);
-
unregister_chrdev_region(devno,
1);
-
printk(
"hello_exit \n");
-
}
-
MODULE_LICENSE(
"GPL");
-
module_init(hello_init);
-
module_exit(hello_exit);
测试程序 test.c
-
#include
-
#include
-
#include
-
#include
-
-
main()
-
{
-
int fd;
-
-
fd = open(
"/dev/hello",O_RDWR);
-
if(fd<
0)
-
{
-
perror(
"open fail \n");
-
return ;
-
}
-
-
close(fd);
-
}
-
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
-
obj-m:=hello.o
-
$(info
"2nd")
-
else
-
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
-
PWD:=$(shell pwd)
-
all:
-
$(info
"1st")
-
make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
-
clean:
-
rm -f *.ko *.o *.symvers *.mod.c *.mod.o *.order
-
endif
编译成功后，使用 insmod 命令加载：
然后用cat /proc/devices 查看，会发现设备号已经申请成功；