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2011-02-15 08:54:54

      Linux内核中所有已分配的字符设备编号都记录在一个名为 chrdevs 散列表里。该散列表中的每一个元素是一个 char_device_struct 结构,它的定义如下
  1. static struct char_device_struct {
  2.        struct char_device_struct *next; // 指向散列冲突链表中的下一个元素的指针
  3.        unsigned int major; // 主设备号
  4.        unsigned int baseminor; // 起始次设备号
  5.        int minorct; // 设备编号的范围大小
  6.        char name[64]; // 处理该设备编号范围内的设备驱动的名称
  7.        struct file_operations *fops; // 没有使用
  8.        struct cdev *cdev; // 指向字符设备驱动程序描述符的指针
  9.    } *

注意,内核并不是为每一个字符设备编号定义一个 char_device_struct 结构,而是为一组对应同一个字符设备驱动的设备编号范围定义一个 char_device_struct 结构。chrdevs 散列表的大小是 255,散列算法是把每组字符设备编号范围的主设备号以 255 取模插入相应的散列桶中。同一个散列桶中的字符设备编号范围是按起始次设备号递增排序的。

注册
内核提供了三个函数来注册一组字符设备编号,这三个函数分别是 register_chrdev_region()、alloc_chrdev_region() 和 register_chrdev()。这三个函数都会调用一个共用的 __register_chrdev_region() 函数来注册一组设备编号范围(即一个 char_device_struct 结构)。

register_chrdev_region(dev_t first,unsigned int count,char *name)
First :要分配的设备编号范围的初始值(次设备号常设为0);
Count:连续编号范围.
Name:编号相关联的设备名称. (/proc/devices);
动态分配:
Int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned int firstminor,unsigned int count,char *name);
Firstminor : 通常为0;
*dev:存放返回的设备号;
释放:
Void unregist_chrdev_region(dev_t first,unsigned int count);
调用Documentation/devices.txt中能够找到已分配的设备号.

所以下面先来看一下 __register_chrdev_region() 函数的实现代码。

  1. static struct char_device_struct * __register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor, int minorct, const char *name)
  2. {
  3.    struct char_device_struct *cd, **cp;
  4.    int ret = 0;
  5.    int i;
  6.    cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL);
  7.    if (cd == NULL)
  8.        return ERR_PTR(-ENOMEM);
  9.    mutex_lock(&chrdevs_lock);
  10.    if (major == 0) {
  11.         for (i = ARRAY_SIZE(chrdevs)-1; i > 0; i--)
  12.            if (chrdevs[i] == NULL)
  13.                break;
  14.        if (i == 0) {
  15.            ret = -EBUSY;
  16.            goto out;
  17.        }
  18.        major = i;
  19.        ret = major;
  20.    }
  21.    cd->major = major;
  22.    cd->baseminor = baseminor;
  23.    cd->minorct = minorct;
  24.    strncpy(cd->name,name, 64);
  25.    i = major_to_index(major);
  26.    for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next)
  27.        if ((*cp)->major > major ||
  28.             ((*cp)->major == major && ( ((*cp)->baseminor >= baseminor) || ((*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor)) ))
  29.            break;
  30.     
  31.    if (*cp && (*cp)->major == major) {
  32.        int old_min = (*cp)->baseminor;
  33.        int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct - 1;
  34.        int new_min = baseminor;
  35.        int new_max = baseminor + minorct - 1;
  36.         
  37.        if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) {
  38.            ret = -EBUSY;
  39.            goto out;
  40.        }
  41.         
  42.        if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) {
  43.            ret = -EBUSY;
  44.            goto out;
  45.        }
  46.    }
  47.    cd->next = *cp;
  48.    *cp = cd;
  49.    mutex_unlock(&chrdevs_lock);
  50.    return cd;
  51. out:
  52.    mutex_unlock(&chrdevs_lock);
  53.    kfree(cd);
  54.    return ERR_PTR(ret);
  55. }

函数 __register_chrdev_region() 主要执行以下步骤:
1. 分配一个新的 char_device_struct 结构,并用 0 填充。
2. 如果申请的设备编号范围的主设备号为 0,那么表示设备驱动程序请求动态分配一个主设备号。动态分配主设备号的原则是从散列表的最后一个桶向前寻找,那个桶是空的,主设备号就是相应散列桶的序号。所以动态分配的主设备号总是小于 256,如果每个桶都有字符设备编号了,那动态分配就会失败。


3. 根据参数设置 char_device_struct 结构中的初始设备号,范围大小及设备驱动名称。
4. 计算出主设备号所对应的散列桶,为新的 char_device_struct 结构寻找正确的位置。同时,如果设备编号范围有重复的话,则出错返回。
5. 将新的 char_device_struct 结构插入散列表中,并返回 char_device_struct 结构的地址。

分析完 __register_chrdev_region() 后,我们来一个个看那三个注册函数。首先是 register_chrdev_region()。

  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.    for (n = from; n < to; n = next) {
  7.        next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);
  8.        if (next > to)
  9.            next = to;
  10.        cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n, name);
  11.        if (IS_ERR(cd))
  12.            goto fail;
  13.    }
  14.    return 0;
  15. fail:
  16.    to = n;
  17.    for (n = from; n < to; n = next) {
  18.        next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);
  19.        kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n));
  20.    }
  21.    return PTR_ERR(cd);
  22. }
register_chrdev_region() 函数用于分配指定的设备编号范围。如果申请的设备编号范围跨越了主设备号,它会把分配范围内的编号按主设备号分割成较小的子范围,并在每个子范围上调用 __register_chrdev_region() 。如果其中有一次分配失败的话,那会把之前成功分配的都全部退回。
  1. int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
  2. {
  3.    struct char_device_struct *cd;
  4.    cd = __register_chrdev_region(0, baseminor, count, name);
  5.    if (IS_ERR(cd))
  6.        return PTR_ERR(cd);
  7.    *dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor);
  8.    return 0;
  9. }
alloc_chrdev_region() 函数用于动态申请设备编号范围,这个函数好像并没有检查范围过大的情况,不过动态分配总是找个空的散列桶,所以问题也不大。通过指针参数返回实际获得的起始设备编号。
  1. int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops)
  2. {
  3.    struct char_device_struct *cd;
  4.    struct cdev *cdev;
  5.    char *s;
  6.    int err = -ENOMEM;
  7.    cd = __register_chrdev_region(major, 0, 256, name);
  8.    if (IS_ERR(cd))
  9.        return PTR_ERR(cd);
  10.    cdev = cdev_alloc();
  11.    if (!cdev)
  12.        goto out2;
  13.    cdev->owner = fops->owner;
  14.    cdev->ops = fops;
  15.    kobject_set_name(&cdev->kobj, "%s", name);
  16.    for (s = strchr(kobject_name(&cdev->kobj),'/'); s; s = strchr(s, '/'))
  17.        *s = '!';
  18.    err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, 0), 256);
  19.    if (err)
  20.        goto out;
  21.    cd->cdev = cdev;
  22.    return major ? 0 : cd->major;
  23. out:
  24.    kobject_put(&cdev->kobj);
  25. out2:
  26.    kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, 0, 256));
  27.    return err;
  28. }

最后一个 register_chrdev() 是一个老式分配设备编号范围的函数。它分配一个单独主设备号和 0 ~ 255 的次设备号范围。如果申请的主设备号为 0 则动态分配一个。该函数还需传入一个 file_operations 结构的指针,函数内部自动分配了一个新的 cdev 结构。关于这些,在后续讲字符设备驱动的注册时会说明。

注销和注册分配字符设备编号范围类似,内核提供了两个注销字符设备编号范围的函数,分别是 unregister_chrdev_region() 和 unregister_chrdev() 。它们都调用了 __unregister_chrdev_region() 函数。由于比较简单,就不加说明了,只把代码贴出来。

  1. static struct char_device_struct * __unregister_chrdev_region(unsigned major, unsigned baseminor, int minorct)
  2. {
  3.    struct char_device_struct *cd = NULL, **cp;
  4.    int i = major_to_index(major);
  5.    mutex_lock(&chrdevs_lock);
  6.    for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next)
  7.        if ((*cp)->major == major &&
  8.            (*cp)->baseminor == baseminor &&
  9.            (*cp)->minorct == minorct)
  10.                break;
  11.    if (*cp) {
  12.        cd = *cp;
  13.        *cp = cd->next;
  14.    }
  15.    mutex_unlock(&chrdevs_lock);
  16.    return cd;
  17. }
  18. void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
  19. {
  20.    dev_t to = from + count;
  21.    dev_t n, next;
  22.    for (n = from; n < to; n = next) {
  23.        next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);
  24.        if (next > to)
  25.            next = to;
  26.        kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n));
  27.    }
  28. }
  29. void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)
  30. {
  31.    struct char_device_struct *cd;
  32.    cd = __unregister_chrdev_region(major, 0, 256);
  33.    if (cd && cd->cdev)
  34.        cdev_del(cd->cdev);
  35.    kfree(cd);
  36. }
注意, unregister_chrdev() 会把 register_chrdev() 中自动分配的 cdev 给注销掉
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