Linux驱动程序开发二

Linux驱动程序开发（2） - 字符设备驱动（1）

Linux驱动程序开发（2） - 字符设备驱动

Linux下的大部分驱动程序都是字符设备驱动程序，所以我们应该知道字符设备是如何注册到系统中的，应用程序是如何访问驱动程序的数据的，及字符驱动程序是如何工作的。

设备号

我们知道应用程序是通过设备节点来访问驱动程序及设备的，其根本是通过设备节点的设备号（主设备号及从设备号）来关联驱动程序及设备的，字符设备也不例外（其实字符设备只能这样访问）。

·         设备号类型

Linux内核里用“dev_t”来表示设备号，它是一个32位的无符号数，其高12位用来表示主设备号，低20位用来表示从设备号。它被定义在头文件里。内核里提供了操作“dev_t”的函数，驱动程序中通过这些函数（其实是宏，定义在文件中）来操作设备号。

#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))

MAJOR（dev）用于获取主设备号，MINOR（dev）用于获取从设备号，而MKDEV（ma，mi）用于通过主设备号和从设备号构造"dev_t"数据。另一点需要说明的是，dev_t数据类型支持2^12个主设备号，每个主设备号（通常是一个设备驱动）可以支持2^20个设备，目前来说这已经足够大了，但谁又能说将来还能满足要求呢？一个良好的编程习惯是不要依赖dev_t这个数据类型，切记必须使用内核提供的操作设备号的函数。

·         字符设备号注册

内核提供了字符设备号管理的函数接口，作为一个良好的编程习惯，字符设备驱动程序应该通过这些函数向系统注册或注销字符设备号。

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,
            const char *name)
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

register_chrdev_region用于向内核注册已知可用的设备号（次设备号通常是0）范围。由于历史的原因一些设备的设备号是固定的，可以在内核源代码树的Documentation/devices.txt文件中找到这些静态分配的设备号；alloc_chrdev_region用于动态分配的设备号并注册到内核中，分配的设备号通过dev参数返回。作为一个良好的内核开发习惯，推荐你使用动态分配的方式来生成设备号。unregister_chrdev_region用于注销一个不用的设备号区域，通常这个函数在驱动程序卸载时被调用。

字符设备
Linux2.6内核使用“struct cdev”来记录字符设备的信息，内核也提供了相关的函数来操作“struct cdev”对象，他们定义在头文件中。可见字符设备及其操作函数接口定义的很简单。

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

void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);
struct cdev *cdev_alloc(void);
void cdev_put(struct cdev *p);
int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
void cdev_del(struct cdev *);

对于Linux 2.6内核来说，struct cdev是内核字符设备的基础结构，用来表示一个字符设备，包含了字符设备需要的全部信息。

·         kobj：struct kobject对象数据，用来描述设备的引用计数，是Linux设备模型的基础结构。

·         owner：struct module对象数据，描述了模块的属主，指向拥有这个结构的模块的指针，显然它只有对编译为模块方式的驱动才由意义。一般赋值位“THIS_MODULE”。

·         ops：struct file_operations对象数据，描述了字符设备的操作函数指针。对于设备驱动来说，这是一个很重要的数据成员，几乎所有的驱动都要用到这个对象，我们会在下面做详细介绍。

·         dev：dev_t对象数据，描述了字符设备的设备号。

内核提供了操作字符设备对象“struct cdev”的函数，我们只能通过这些函数来操作字符设备，例如：初始化、注册、添加、移除字符设备。

·         cdev_alloc：用于动态分配一个新的字符设备 cdev 对象，并对其进行初始化。采用cdev_alloc分配的cdev对象需要显示的初始化owner和ops对象。

// 参考drivers/scsi/st.c:st_probe 函数
struct cdev *cdev = NULL;
cdev = cdev_alloc();
// Error Processing
cdev->owner = THIS_MODULE;
cdev->ops = &st_fops;

 

·         cdev_init：用于初始化一个静态分配的cdev对象，一般这个对象会嵌入到其他的对象中。cdev_init会自动初始化ops数据，因此应用程序只需要显示的给owner对象赋值。cdev_init的功能与cdev_alloc基本相同，唯一的区别是cdev_init初始化一个已经存在的cdev对象，并且这个初始化会影响到字符设备删除函数（cdev_del）的行为，请参考cdev_del函数。

·         cdev_add：向内核系统中添加一个新的字符设备cdev，并且使它立即可用。

·         cdev_del：从内核系统中移除cdev字符设备。如果字符设备是由cdev_alloc动态分配的，则会释放分配的内存。

·         cdev_put：减少模块的引用计数，一般很少会有驱动程序直接调用这个函数。

文件操作对象
Linux中的所有设备都是文件，内核中用“struct file”结构来表示一个文件。尽管我们的驱动不会直接使用这个结构中的大部分对象，其中的一些数据成员还是很重要的，具体的内容请参考内核源代码树头文件。

// struct file 中的一些重要数据成员
const struct file_operations    *f_op;
unsigned int         f_flags;
mode_t            f_mode;
loff_t            f_pos;
struct address_space    *f_mapping;

这里我们不对struct file做过多的介绍，另一篇struct file将做详细介绍。这个结构中的f_ops成员是我们的驱动所关心的，它是一个struct file_operations结构。Linux里的struct file_operations结构描述了一个文件操作需要的所有函数，它定义在头文件中。

struct file_operations {
    struct module *owner;
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
    ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
    int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
    int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync);
    int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
    int (*fasync) (int, struct file *, int);
    int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
    unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
    int (*check_flags)(int);
    int (*dir_notify)(struct file *filp, unsigned long arg);
    int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
    ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
    int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
};

这是一个很大的结构，包含了所有的设备操作函数指针。当然，对于一个驱动，不是所有的接口都需要来实现的。对于一个字符设备来说，一般实现open、release、read、write、mmap、ioctl这几个函数就足够了。
这里需要指出的是，open和release函数的第一个参数是一个struct inode对象。这是一个内核文件系统索引节点对象，它包含了内核在操作文件或目录时需要的全部信息。对于字符设备驱动来说，我们关心的是从struct inode对象中获取设备号（inode的i_rdev成员）内核提供了两个函数来做这件事。

static inline unsigned iminor(const struct inode *inode)
{
    return MINOR(inode->i_rdev);
}
static inline unsigned imajor(const struct inode *inode)
{
    return MAJOR(inode->i_rdev);
}

尽管我们可以直接从inode->i_rdev获取设备号，但是尽量不要这样做。我们推荐你调用内核提供的函数来获取设备号，这样即使将来inode->i_rdev有所变化，我们的程序也会工作的很好。