Linux 中字符设备的注册

 

Linux中字符设备的注册过程是比较简单的。我们通常可以调用misc_register()函数来注册一个字符设备。Misc设备是一种字符设备，通过该设备可以将fops请求转发给注册的misc设备，从而实现字符设备的功能。用户调用该接口注册Misc字符设备时，可以动态分配设备Minor号，当获取Minor号之后调用class_simple_device_add()或者device_create()函数完成字符设备的创建。Misc字符设备注册函数如下所示：

 

int misc_register(struct miscdevice * misc)
{
    struct miscdevice *c;
    dev_t dev;
    int err = 0;

    INIT_LIST_HEAD(&misc->list);

    mutex_lock(&misc_mtx);      //获取misc设备信号量
    list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {  //检查设备是否已经存在
        if (c->minor == misc->minor) {
            mutex_unlock(&misc_mtx);
            return -EBUSY;          //如果设备存在，直接返回
        }
    }

    if (misc->minor == MISC_DYNAMIC_MINOR) {    //动态分配分配minor号
        int i = DYNAMIC_MINORS;
        while (--i >= 0)
            if ( (misc_minors[i>>3] & (1 << (i&7))) == 0)
                break;
        if (i<0) {
            mutex_unlock(&misc_mtx);
            return -EBUSY;
        }
        misc->minor = i;
    }

    if (misc->minor < DYNAMIC_MINORS)
        misc_minors[misc->minor >> 3] |= 1 << (misc->minor & 7);
    dev = MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor);

    misc->this_device = device_create(misc_class, misc->parent, dev,
                      "%s", misc->name);        //创建字符设备（Misc设备）
    if (IS_ERR(misc->this_device)) {
        err = PTR_ERR(misc->this_device);
        goto out;
    }

    /*
     * Add it to the front, so that later devices can "override"
     * earlier defaults
     */
    list_add(&misc->list, &misc_list);  //将设备保存至misc设备链中，设备访问时需要操作该链表
 out:
    mutex_unlock(&misc_mtx);
    return err;
}

需要注意的是2.6.12内核中创建系统设备时需要调用simple_device的接口class_simple_device_add()。在2.6.23中需要调用device_create()函数完成设备注册。在3.2内核中，simple_device的接口已经不存在了，所以必须调用device_create函数，另外，3.2内核不支持具有相同minor号的字符设备，在2.6.x内核中是支持的。

 

系统是如何完成fops函数调用的呢？回答这个问题需要分析Misc设备打开过程。在打开Misc设备驱动的时候，Misc设备驱动会根据访问设备的Minor号重定向fops函数集，该程序说明如下：

 

static int misc_open(struct inode * inode, struct file * file)
{
    int minor = iminor(inode);
    struct miscdevice *c;
    int err = -ENODEV;
    const struct file_operations *old_fops, *new_fops = NULL;

    mutex_lock(&misc_mtx);

    list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {  //通过minor号来匹配对应的fops函数集
        if (c->minor == minor) {
            new_fops = fops_get(c->fops);
            break;
        }
    }

    if (!new_fops) {
        mutex_unlock(&misc_mtx);
        request_module("char-major-%d-%d", MISC_MAJOR, minor);
        mutex_lock(&misc_mtx);

        list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {
            if (c->minor == minor) {
                new_fops = fops_get(c->fops);
                break;
            }
        }
        if (!new_fops)
            goto fail;
    }

    err = 0;
    old_fops = file->f_op;
    file->f_op = new_fops;  //重定向fops函数
    if (file->f_op->open) {     //打开设备
        err=file->f_op->open(inode,file);
        if (err) {
            fops_put(file->f_op);
            file->f_op = fops_get(old_fops);
        }
    }
    fops_put(old_fops);
fail:
    mutex_unlock(&misc_mtx);
    return err;
}

很多时候我们不想创建Misc字符设备，想要自己创建一个字符设备类，然后再创建该设备类的字符设备，那么整个创建过程可以描述如下：

1，调用register_chrdev_region函数注册设备号区间

2，调用cdev_alloc函数分配一个字符设备

3，调用cdev_add函数添加内核字符设备

4，调用device_create函数通知udev创建设备节点，并且注册到sysfs中。

 

register_chrdev_region函数用来分配设备号。在linux系统中维护了一个char_device的Hash表，每个Major占用一个Hash项。通过register_chrdev_region函数就是向全局的char_device Hash表注册设备号。该函数说明如下：

 

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);    //一个Major设备类最多可以容纳1M个Minor设备
        if (next > to)
            next = to;  //取最小设备号
        cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n),
                   next - n, name); //注册设备号区间
        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);
}

当设备号区间分配完成之后，通过cdev_alloc()函数分配一个内核字符设备，然后通过cdev_add函数将该字符设备注册到内核cdev_map->probes[]数组中，至此，内核的字符设备创建完毕。但是，此时，应用层还无法看到字符设备节点，因此，可以调用device_create函数通知udev去创建设备节点，并且将设备添加到sysfs系统树中。至此，应用层可以通过设备节点访问字符设备了。

 

字符设备是Linux中最简单的一种设备，其系统注册过程也相对比较简单。