有关Linux kernel 字符设备分析：
参考：http://blog.jobbole.com/86531/
一．linux kernel 将设备分为３大类，字符设备，块设备，网络设备．
字符设备是指只能一个字节一个字节读写的设备， 常见的外设基本上都是字符设备．
块设备：常见的存储设备，硬盘，ＳＤ卡都归为块设备，块设备是按一块一块读取的．
网络设备：linux 将对外通信的一个机制抽象成一个设备， 通过套接字对其进行相关的操作．
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。
二、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。
三．字符设备的模型
四．下面讲一下字符设备驱动的编写流程，linux 内核为字符设备的创建提供了一套接口．
首先介绍一下dev_t ， 他是主设备号和次设备号的结构体生成，他就代表了一个主次设备号
通过函数MKDEV （MAJ , MINOR) ; 生成．我们注册一个字符设备可以通过动态注册也可以静态注册 , linux kernel 为我们提供了所需要的接口
首先讲一下静态注册的方法
1 //分配主设备号为200 次设备号从5开始分配5个 设备名字叫MONEY
2 int ret ;
3 DeviceId = MKDEV(MAJ , BASEMINOR);
4 ret = register_chrdev_region(DeviceId , MINORCNT , "MONEY");
5 if(ret < 0)
6 {
7 return ret ;
8 }
9
10 //********************************************
11 //方法一
12 //1> 初始化
13 cdev_init(&device, &fops);
14 //2> 添加 domain->probes HASH表上
15 cdev_add(&device,DeviceId , MINORCNT);
通过函数register_chrdev_region() , 我们可以注册主设备号为MAJ , 次设备号BASEMINOR 开始 , 一共注册MINORCNT 个次设备号 , 名字为MONEY 的字符设备.
第二种方法是动态申请主次设备号:
1 //动态分配一个主设备号
2 int ret ;
3 ret = alloc_chrdev_region(&DeviceId , BASEMINOR , MINORCNT,"TONY");
4 if(ret < 0)
5 {
6 return ret ;
7 }
8
9 printk("major:%d \n" , MAJOR(DeviceId));
10
11 //********************************************
12 //方法二
13 //1> 分配空间
14 device = cdev_alloc();
我们可以通过linux kernel 提供的alloc_chrdev_region () 的方法 , 申请一个主设备号和基础设备号 , 一共申请 MINORCNT , 名字为 TONY 的一个字符设备.
这里涉及一个结构体:
1 struct cdev {
2 struct kobject kobj;
3 struct module *owner; 4 const struct file_operations *ops;
5 struct list_head list;
6 dev_t dev;
7 unsigned int count;
8 };
这里的话还要申请一个cdev 结构体的空间
通过cdev_alloc() ;
搞定了主次设备号的问题 , 接下来就是涉及到了初始化和添加到设备列表 .
linux kernel 为我们提供了以下的方法:
1 //2> 初始化 2 cdev_init(device, &fops); 3 //3> 添加 domain->probes HASH表上 4 cdev_add(device,DeviceId , MINORCNT); 5
这里面涉及到了一个&fops 的文件操作结构体
1 static struct file_operations fops = {
2 .owner = THIS_MODULE,
3 .open = myopen,
4 .read = myread ,
5 .write = mywrite,
6 .release = myclose,
7 .unlocked_ioctl = myioctl,
8 };
上层的open read write 等函数经过一系列的转换都会到对应的函数
相对应的, 释放主次设备号, 删除在设备列表的节点, linux kernel 为我们提供了一下接口:
1 cdev_del(device); 2 3 unregister_chrdev_region(DeviceId , MINORCNT);
下面的代码是想深入了解里面的代码的看看就行了 , 如果只是向了解接口的 , 上面的就行了
从静态申请注册开始跟起吧
1 #define MKDEV(ma,mi) ((ma)<<8 | (mi))
上面这个是制作一个主次设备号的结构体
1 extern int alloc_chrdev_region(dev_t *, unsigned, unsigned, const char *); 2 extern int register_chrdev_region(dev_t, unsigned, const char *); 3 extern int __register_chrdev(unsigned int major, unsigned int baseminor, 4 unsigned int count, const char *name, 5 const struct file_operations *fops); 6 extern void __unregister_chrdev(unsigned int major, unsigned int baseminor, unsigned int count, const char *name); 7 extern void unregister_chrdev_region(dev_t, unsigned);
这是几个将要用的函数的函数声明 , 它在 include/linux/fs.h 文件中
首先看一下 register_chrdev_region() 函数
1 /** 2 * register_chrdev_region() - register a range of device numbers 3 * @from: the first in the desired range of device numbers; must include 4 * the major number. 5 * @count: the number of consecutive device numbers required 6 * @name: the name of the device or driver. 7 * 8 * Return value is zero on success, a negative error code on failure. 9 */
注释说明: 注册一个范围的设备号 , 原型如下:
1 int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
2 {
3 struct char_device_struct *cd;
4 dev_t to = from + count;
5 dev_t n, next;
6
7 for (n = from; n < to; n = next) { next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);
8 if (next > to)
9 next = to;
10 cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n),
11 next - n, name);
12 if (IS_ERR(cd))
13 goto fail;
14 }
15 return 0;
16 fail:
17 to = n;
18 for (n = from; n < to; n = next) {
19 next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);
20 kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n));
21 }
22 return PTR_ERR(cd);
23 }
它是调用了
cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n),
进里面看看
1 /* 2 * Register a single major with a specified minor range. 3 * 4 * If major == 0 this functions will dynamically allocate a major and return 5 * its number. 6 * 7 * If major > 0 this function will attempt to reserve the passed range of 8 * minors and will return zero on success. 9 * 10 * Returns a -ve errno on failure. 11 */
还是看注释: 注册一个指定的主设备号 和一个指定的次设备号范围
判断 主设备号是不是为零 , 如果是零的话 就动态申请一个主设备号 , 这就是后面要讲的那个动态申请 , 它也是调用了这个.
代码如下
1 static struct char_device_struct *
2 __register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor,
3 int minorct, const char *name)
4 {
5 struct char_device_struct *cd, **cp;
6 int ret = 0;
7 int i;
8 这里面涉及一个结构体没讲:
1 static struct char_device_struct {
2 struct char_device_struct *next;
3 unsigned int major;
4 unsigned int baseminor;
5 int minorct;
6 char name[64];
7 struct cdev *cdev; /* will die */
8 } *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];
9 cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL); //动态申请了一个char_device_struct 结构体
10 if (cd == NULL)
11 return ERR_PTR(-ENOMEM);
12
13 mutex_lock(&chrdevs_lock); //加一个互斥锁 , 防止其他进程并发
14
15 /* temporary */
16 if (major == 0) {
17 for (i = ARRAY_SIZE(chrdevs)-1; i > 0; i--) { //这里其实就是做了一个动态申请主设备号的功能
18 if (chrdevs[i] == NULL)
19 break;
20 }
21
22 if (i == 0) { //没有申请到主设备号, 直接退出
23 ret = -EBUSY;
24 goto out;
25 }
26 major = i;
27 ret = major;
28 }
29
30 cd->major = major; //对结构体进行初始化
31 cd->baseminor = baseminor;
32 cd->minorct = minorct;
33 strlcpy(cd->name, name, sizeof(cd->name));
34
35 i = major_to_index(major); // 哈希表的下标生成
36
37 for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next) //进入chdevs[i] 哈希表快速进入
38 if ((*cp)->major > major ||
39 ((*cp)->major == major &&
40 (((*cp)->baseminor >= baseminor) ||
41 ((*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor))))
42 break;
43
44 /* Check for overlapping minor ranges. */ // 检查次设备号会不会重叠
45 if (*cp && (*cp)->major == major) {
46 int old_min = (*cp)->baseminor;
47 int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct - 1;
48 int new_min = baseminor;
49 int new_max = baseminor + minorct - 1;
50
51 /* New driver overlaps from the left. */
52 if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) {
53 ret = -EBUSY;
54 goto out;
55 }
56
57 /* New driver overlaps from the right. */
58 if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) {
59 ret = -EBUSY;
60 goto out;
61 }
62 }
63
64 cd->next = *cp;
65 *cp = cd;
66 mutex_unlock(&chrdevs_lock); //解锁
67 return cd;
68 out:
69 mutex_unlock(&chrdevs_lock);
70 kfree(cd);
71 return ERR_PTR(ret);
72 }
到这里一个主次设备号就搞定了 , 并申请一个char_device_struct 结构体, 并对其进行赋值初始化.
第二步就是对cdev 进行init :
1 void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);
这里又涉及到一个struct cdev 的结构体:
1 struct cdev {
2 struct kobject kobj;
3 struct module *owner;
4 const struct file_operations *ops;
5 struct list_head list;
6 dev_t dev;
7 unsigned int count;
8 };
进初始化代码一看究竟:
1 /**
2 * cdev_init() - initialize a cdev structure
3 * @cdev: the structure to initialize
4 * @fops: the file_operations for this device
5 *
6 * Initializes @cdev, remembering @fops, making it ready to add to the
7 * system with cdev_add().
8 */
9 void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
10 {
11 memset(cdev, 0, sizeof *cdev);
12 INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);
13 kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);
14 cdev->ops = fops;
15 }
看一段代码之前我们尽可能的先看注释, 这样会让我们跟代码轻松很多 , 我们可以顺着代码的作者的思路走
注释: 初始化一个cdev 结构体
但是跟都这里就不能跟进去了 , 因为是要添加到kernel list 当中 , 针对这个东西 , 我到时候会做一个详细的详细的讲解 , 我们理解它是把cdev 挂到内核链表中就行了
下一部就是 cdev_add () ;
1 int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);