字符设备驱动 架构分析

Char Device Driver

相关数据结构：

struct cdev {
        struct kobject kobj;
        struct module *owner;
        const struct file_operations *ops;
        struct list_head list;
        dev_t dev;
        unsigned int count;
};


struct kobj_map {
        struct probe {
                struct probe *next;
                dev_t dev;
                unsigned long range;
                struct module *owner;
                kobj_probe_t *get;
                int (*lock)(dev_t, void *);
                void *data;
        } *probes[255];
        struct mutex *lock;
};


static struct char_device_struct {
        struct char_device_struct *next;
        unsigned int major;
        unsigned int baseminor;
        int minorct;
        char name[64];
        struct file_operations *fops;
        struct cdev *cdev;                /* will die */
} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

#define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE        255


下面本文通过一下三个方面以及他们的关联来描述字符设备驱动:
1. 字符驱动模型
2. 字符设备的设备号
3. 文件系统中对字符设备文件的访问


1. 字符驱动模型

每个字符驱动由一个 cdev 结构来表示.

在设备驱动模型(device driver model)中, 使用 (kobject mapping domain) 来记录字符设备驱动.
这是由 struct kobj_map 结构来表示的. 它内嵌了255个struct probe指针数组
kobj_map由全局变量 cdev_map 引用: static struct kobj_map *cdev_map;




相关函数说明:

cdev_alloc() 用来创建一个cdev的对象

cdev_add() 用来将cdev对象添加到驱动模型中,其主要是通过kobj_map()来实现的.
        kobj_map() 会创建一个probe对象,然后将其插入cdev_map中的某一项中,并关联probe->data 指向 cdev
        
struct kobject *kobj_lookup(struct kobj_map *domain, dev_t dev, int *index)
根据设备号,在cdev_map中查找其cdev对象内嵌的kobject. (probe->data->kobj),返回的是cdev的kobject




2. 字符设备的设备号

字符设备的主,次设备号的分配:

全局数组 chrdevs 包含了255(CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 的值)个 struct char_device_struct的元素.
每一个对应一个相应的主设备号.

如果分配了一个设备号,就会创建一个 struct char_device_struct 的对象,并将其添加到 chrdevs 中.
这样,通过chrdevs数组,我们就可以知道分配了哪些设备号.



相关函数:
register_chrdev_region( ) 分配指定的设备号范围
alloc_chrdev_region( ) 动态分配设备范围
他们都主要是通过调用函数__register_chrdev_region() 来实现的
要注意,这两个函数仅仅是注册设备号! 如果要和cdev关联起来,还要调用cdev_add()


register_chrdev( ) 申请指定的设备号,并且将其注册到字符设备驱动模型中.
它所做的事情为:
1. 注册设备号, 通过调用 __register_chrdev_region() 来实现
2. 分配一个cdev, 通过调用 cdev_alloc() 来实现
3. 将cdev添加到驱动模型中, 这一步将设备号和驱动关联了起来. 通过调用 cdev_add() 来实现
4. 将第一步中创建的 struct char_device_struct 对象的 cdev 指向第二步中分配的cdev. 由于register_chrdev()是老的接口,这一步在新的接口中并不需要.




3. 文件系统中对字符设备文件的访问

对于一个字符设备文件, 其inode->i_cdev 指向字符驱动对象cdev, 如果i_cdev为 NULL ,则说明该设备文件没有被打开.

由于多个设备可以共用同一个驱动程序.所以,通过字符设备的inode 中的i_devices 和 cdev中的list组成一个链表



首先,系统调用open打开一个字符设备的时候, 通过一系列调用,最终会执行到 chrdev_open.
(最终是通过调用到def_chr_fops中的.open, 而def_chr_fops.open = chrdev_open. 这一系列的调用过程,本文暂不讨论)

int chrdev_open(struct inode * inode, struct file * filp)

chrdev_open()所做的事情可以概括如下:
1. 根据设备号(inode->i_rdev), 在字符设备驱动模型中查找对应的驱动程序, 这通过kobj_lookup() 来实现, kobj_lookup()会返回对应驱动程序cdev的kobject.
2. 设置inode->i_cdev , 指向找到的cdev.
3. 将inode添加到cdev->list的链表中.
4. 使用cdev的ops 设置file对象的f_op
5. 如果ops中定义了open方法,则调用该open方法
6. 返回.

执行完chrdev_open()之后,file对象的f_op指向cdev的ops,因而之后对设备进行的read, write等操作,就会执行cdev的相应操作.