今天进入字符设备驱动程序的学习.
一主设备号和次设备号
主设备号标识与设备文件相连的驱动程序。次设备号被驱动程序用来辨别操作的是那个设备.
在内核中, dev_t 类型(在 中定义)用来持有设备编号 -- 主次部分都包括. 对于 2.6.0 内核, dev_t 是 32 位的量, 12 位用作主编号, 20 位用作次编号. 你的代码应当, 当然, 对于设备编号的内部组织从不做任何假设; 相反, 应当利用在 中的一套宏定义. 为获得一个 dev_t 的主或者次编号, 使用:
MAJOR(dev_t dev);
MINOR(dev_t dev);
相反, 如果你有主次编号, 需要将其转换为一个 dev_t, 使用:
MKDEV(int major, int minor);
在建立一个字符驱动时你的驱动需要做的第一件事是获取一个或多个设备编号来使用. 为此目的的必要的函数是 register_chrdev_region, 在 中声明:
int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);
这里, first 是你要分配的起始设备编号. first 的次编号部分常常是 0, 但是没有要求是那个效果. count 是你请求的连续设备编号的总数. 注意, 如果 count 太大, 你要求的范围可能溢出到下一个次编号; 但是只要你要求的编号范围可用, 一切都仍然会正确工作. 最后, name 是应当连接到这个编号范围的设备的名子; 它会出现在 /proc/devices 和 sysfs 中.
如同大部分内核函数, 如果分配成功进行, register_chrdev_region 的返回值是 0. 出错的情况下, 返回一个负的错误码, 你不能存取请求的区域.
如果你确实事先知道你需要哪个设备编号, register_chrdev_region 工作得好. 然而, 你常常不会知道你的设备使用哪个主编号; 在 Linux 内核开发社团中一直努力使用动态分配设备编号. 内核会乐于动态为你分配一个主编号, 但是你必须使用一个不同的函数来请求这个分配.
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);
使用这个函数, dev 是一个只输出的参数, 它在函数成功完成时持有你的分配范围的第一个数. fisetminor 应当是请求的第一个要用的次编号; 它常常是 0. count 和 name 参数如同给 request_chrdev_region 的一样.
不管你任何分配你的设备编号, 你应当在不再使用它们时释放它. 设备编号的释放使用:
void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);
调用 unregister_chrdev_region 的地方常常是你的模块的 cleanup 函数.
上面的函数分配设备编号给你的驱动使用, 但是它们不告诉内核你实际上会对这些编号做什么. 在用户空间程序能够存取这些设备号中一个之前, 你的驱动需要连接它们到它的实现设备操作的内部函数上. 我们将描述如何简短完成这个连接, 但首先顾及一些必要的枝节问题.
三一些重要数据结构
到现在, 我们已经保留了一些设备编号给我们使用, 但是我们还没有连接任何我们设备操作到这些编号上. file_operation 结构是一个字符驱动如何建立这个连接. 这个结构, 定义在 , 是一个函数指针的集合. 每个打开文件(内部用一个 file 结构来代表, 稍后我们会查看)与它自身的函数集合相关连( 通过包含一个称为 f_op 的成员, 它指向一个 file_operations 结构). 这些操作大部分负责实现系统调用, 因此, 命名为 open, read, 等等. 我们可以认为文件是一个"对象"并且其上的函数操作称为它的"方法", 使用面向对象编程的术语来表示一个对象声明的用来操作对象的动作. 这是我们在 Linux 内核中看到的第一个面向对象编程的现象, 后续章中我们会看到更多.
传统上, 一个 file_operation 结构或者其一个指针称为 fops( 或者它的一些变体). 结构中的每个成员必须指向驱动中的函数, 这些函数实现一个特别的操作, 或者对于不支持的操作留置为 NULL. 当指定为 NULL 指针时内核的确切的行为是每个函数不同的
scull 设备驱动只实现最重要的设备方法. 它的 file_operations 结构是如下初始化的:
struct file_operations scull_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = scull_llseek,
.read = scull_read,
.write = scull_write,
.ioctl = scull_ioctl,
.open = scull_open,
.release = scull_release,
};
这个声明使用标准的 C 标记式结构初始化语法. 这个语法是首选的, 因为它使驱动在结构定义的改变之间更加可移植, 并且, 有争议地, 使代码更加紧凑和可读. 标记式初始化允许结构成员重新排序; 在某种情况下, 真实的性能提高已经实现, 通过安放经常使用的成员的指针在相同硬件高速存储行中.
inode 结构由内核在内部用来表示文件. 因此, 它和代表打开文件描述符的文件结构是不同的. 可能有代表单个文件的多个打开描述符的许多文件结构, 但是它们都指向一个单个 inode 结构.
inode 结构包含大量关于文件的信息. 作为一个通用的规则, 这个结构只有 2 个成员对于编写驱动代码有用:
- dev_t i_rdev;
对于代表设备文件的节点, 这个成员包含实际的设备编号.
- struct cdev *i_cdev;
struct cdev 是内核的内部结构, 代表字符设备; 这个成员包含一个指针, 指向这个结构, 当
节点指的是一个字符设备文件时.
i_rdev 类型在 2.5 开发系列中改变了, 破坏了大量的驱动. 作为一个鼓励更可移植编程的方法, 内核开发者已经增加了 2 个宏, 可用来从一个 inode 中获取主次编号:
unsigned int iminor(struct inode *inode);
unsigned int imajor(struct inode *inode);
为了不要被下一次改动抓住, 应当使用这些宏代替直接操作 i_rdev.
四字符设备注册
如我们提过的, 内核在内部使用类型 struct cdev 的结构来代表字符设备. 在内核调用你的设备操作前, 你编写分配并注册一个或几个这些结构. [11]为此, 你的代码应当包含 , 这个结构和它的关联帮助函数定义在这里.
有 2 种方法来分配和初始化一个这些结构. 如果你想在运行时获得一个独立的 cdev 结构, 你可以为此使用这样的代码:
struct cdev *my_cdev = cdev_alloc(); 、*分配cdev*、
my_cdev->ops = &my_fops;
但是, 偶尔你会想将 cdev 结构嵌入一个你自己的设备特定的结构; scull 这样做了. 在这种情况下, 你应当初始化你已经分配的结构, 使用:
void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops); 、*初始化cdev*、
任一方法, 有一个其他的 struct cdev 成员你需要初始化. 象 file_operations 结构, struct cdev 有一个拥有者成员, 应当设置为 THIS_MODULE. 一旦 cdev 结构建立, 最后的步骤是把它告诉内核, 调用:
int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count); 、*添加cdev*、
这里, dev 是 cdev 结构, num 是这个设备响应的第一个设备号, count 是应当关联到设备的设备号的数目. 常常 count 是 1, 但是有多个设备号对应于一个特定的设备的情形. 例如, 设想 SCSI 磁带驱动, 它允许用户空间来选择操作模式(例如密度), 通过安排多个次编号给每一个物理设备.
在使用 cdev_add 是有几个重要事情要记住. 第一个是这个调用可能失败. 如果它返回一个负的错误码, 你的设备没有增加到系统中. 它几乎会一直成功, 但是, 并且带起了其他的点: cdev_add 一返回, 你的设备就是"活的"并且内核可以调用它的操作. 除非你的驱动完全准备好处理设备上的操作, 你不应当调用 cdev_add.
为从系统去除一个字符设备, 调用:
void cdev_del(struct cdev *dev);
显然, 你不应当在传递给 cdev_del 后存取 cdev 结构.
在内部, scull 使用一个 struct scull_dev 类型的结构表示每个设备. 这个结构定义为:
struct scull_dev {
struct scull_qset *data; /* Pointer to first quantum set */
int quantum; /* the current quantum size */
int qset; /* the current array size */
unsigned long size; /* amount of data stored here */
unsigned int access_key; /* used by sculluid and scullpriv */
struct semaphore sem; /* mutual exclusion semaphore */
struct cdev cdev; /* Char device structure */
};
我们在遇到它们时讨论结构中的各个成员, 但是现在, 我们关注于 cdev, 我们的设备与内核接口的 struct cdev. 这个结构必须初始化并且如上所述添加到系统中; 处理这个任务的 scull 代码是:
static void scull_setup_cdev(struct scull_dev *dev, int index)
{
int err, devno = MKDEV(scull_major, scull_minor + index);
cdev_init(&dev->cdev, &scull_fops);
dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
dev->cdev.ops = &scull_fops;
err = cdev_add (&dev->cdev, devno, 1);
/* Fail gracefully if need be */
if (err)
printk(KERN_NOTICE "Error %d adding scull%d", err, index);
}
因为 cdev 结构嵌在 struct scull_dev 里面, cdev_init 必须调用来进行那个结构的初始化.
如果你深入浏览 2.6 内核的大量驱动代码, 你可能注意到有许多字符驱动不使用我们刚刚描述过的 cdev 接口. 你见到的是还没有更新到 2.6 内核接口的老代码. 因为那个代码实际上能用, 这个更新可能很长时间不会发生. 为完整, 我们描述老的字符设备注册接口, 但是新代码不应当使用它; 这个机制在将来内核中可能会消失.
注册一个字符设备的经典方法是使用:
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops);
这里, major 是感兴趣的主编号, name 是驱动的名子(出现在 /proc/devices), fops 是缺省的 file_operations 结构. 一个对 register_chrdev 的调用为给定的主编号注册 0 - 255 的次编号, 并且为每一个建立一个缺省的 cdev 结构. 使用这个接口的驱动必须准备好处理对所有 256 个次编号的 open 调用( 不管它们是否对应真实设备 ), 它们不能使用大于 255 的主或次编号.
如果你使用 register_chrdev, 从系统中去除你的设备的正确的函数是:
int unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);
major 和 name 必须和传递给 register_chrdev 的相同, 否则调用会失败.
到此我们已经快速浏览了这些成员, 我们开始在真实的 scull 函数中使用它们.
open 方法提供给驱动来做任何的初始化来准备后续的操作. 在大部分驱动中, open 应当进行下面的工作:
但是, 事情的第一步常常是确定打开哪个设备. 记住 open 方法的原型是:
int (*open)(struct inode *inode, struct file *filp);
inode 参数有我们需要的信息,以它的 i_cdev 成员的形式, 里面包含我们之前建立的 cdev 结构. 唯一的问题是通常我们不想要 cdev 结构本身, 我们需要的是包含 cdev 结构的 scull_dev 结构. C 语言使程序员玩弄各种技巧来做这种转换; 但是, 这种技巧编程是易出错的, 并且导致别人难于阅读和理解代码. 幸运的是, 在这种情况下, 内核 hacker 已经为我们实现了这个技巧, 以 container_of 宏的形式, 在 中定义:
container_of(pointer, container_type, container_field);
这个宏使用一个指向 container_field 类型的成员的指针, 它在一个 container_type 类型的结构中, 并且返回一个指针指向包含结构. 在 scull_open, 这个宏用来找到适当的设备结构:
struct scull_dev *dev; /* device information */
dev = container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev);
filp->private_data = dev; /* for other methods */
一旦它找到 scull_dev 结构, scull 在文件结构的 private_data 成员中存储一个它的指针, 为以后更易存取.
识别打开的设备的另外的方法是查看存储在 inode 结构的次编号. 如果你使用 register_chrdev 注册你的设备, 你必须使用这个技术. 确认使用 iminor 从 inode 结构中获取次编号, 并且确定它对应一个你的驱动真正准备好处理的设备.
scull_open 的代码(稍微简化过)是:
int scull_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct scull_dev *dev; /* device information */
dev = container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev);
filp->private_data = dev; /* for other methods */
/* now trim to 0 the length of the device if open was write-only */
if ( (filp->f_flags & O_ACCMODE) == O_WRONLY)
{
scull_trim(dev); /* ignore errors */
}
return 0; /* success */
}
代码看来相当稀疏, 因为在调用 open 时它没有做任何特别的设备处理. 它不需要, 因为 scull 设备设计为全局的和永久的. 特别地, 没有如"在第一次打开时初始化设备"等动作, 因为我们不为 scull 保持打开计数.
唯一在设备上的真实操作是当设备为写而打开时将它截取为长度为 0. 这样做是因为, 在设计上, 用一个短的文件覆盖一个 scull 设备导致一个短的设备数据区. 这类似于为写而打开一个常规文件, 将其截短为 0. 如果设备为读而打开, 这个操作什么都不做.
在我们查看其他 scull 特性的代码时将看到一个真实的初始化如何起作用的.
release 方法的角色是 open 的反面. 有时你会发现方法的实现称为 device_close, 而不是 device_release. 任一方式, 设备方法应当进行下面的任务:
scull 的基本形式没有硬件去关闭, 因此需要的代码是最少的:[12]
int scull_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
你可能想知道当一个设备文件关闭次数超过它被打开的次数会发生什么. 毕竟, dup 和 fork 系统调用不调用 open 来创建打开文件的拷贝; 每个拷贝接着在程序终止时被关闭. 例如, 大部分程序不打开它们的 stdin 文件(或设备), 但是它们都以关闭它结束. 当一个打开的设备文件已经真正被关闭时驱动如何知道?
答案简单: 不是每个 close 系统调用引起调用 release 方法. 只有真正释放设备数据结构的调用会调用这个方法 -- 因此得名. 内核维持一个文件结构被使用多少次的计数. fork 和 dup 都不创建新文件(只有 open 这样); 它们只递增正存在的结构中的计数. close 系统调用仅在文件结构计数掉到 0 时执行 release 方法, 这在结构被销毁时发生. release 方法和 close 系统调用之间的这种关系保证了你的驱动一次 open 只看到一次 release.
注意, flush 方法在每次应用程序调用 close 时都被调用. 但是, 很少驱动实现 flush, 因为常常在 close 时没有什么要做, 除非调用 release.
如你会想到的, 前面的讨论即便是应用程序没有明显地关闭它打开的文件也适用: 内核在进程 exit 时自动关闭了任何文件, 通过在内部使用 close 系统调用.
本章介绍了下面符号和头文件. struct file_operations 和 struct file 中的成员的列表这里不重复了.
- #include
-
- dev_t
-
dev_t 是用来在内核里代表设备号的类型.
- int MAJOR(dev_t dev);
-
- int MINOR(dev_t dev);
-
从设备编号中抽取主次编号的宏.
- dev_t MKDEV(unsigned int major, unsigned int minor);
-
从主次编号来建立 dev_t 数据项的宏定义.
- #include
-
"文件系统"头文件是编写设备驱动需要的头文件. 许多重要的函数和数据结构在此定义.
- int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name)
-
- int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name)
-
- void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);
-
允许驱动分配和释放设备编号的范围的函数. register_chrdev_region 应当用在事先知道需要的主编号时; 对于动态分配, 使用 alloc_chrdev_region 代替.
- int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, struct file_operations *fops);
-
老的( 2.6 之前) 字符设备注册函数. 它在 2.6 内核中被模拟, 但是不应当给新代码使用. 如果主编号不是 0, 可以不变地用它; 否则一个动态编号被分配给这个设备.
- int unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);
-
恢复一个由 register_chrdev 所作的注册的函数. major 和 name 字符串必须包含之前用来注册设备时同样的值.
- struct file_operations;
-
- struct file;
-
- struct inode;
-
大部分设备驱动使用的 3 个重要数据结构. file_operations 结构持有一个字符驱动的方法; struct file 代表一个打开的文件, struct inode 代表磁盘上的一个文件.
- #include
-
- struct cdev *cdev_alloc(void);
-
- void cdev_init(struct cdev *dev, struct file_operations *fops);
-
- int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count);
-
- void cdev_del(struct cdev *dev);
-
cdev 结构管理的函数, 它代表内核中的字符设备.
- #include
-
- container_of(pointer, type, field);
-
一个传统宏定义, 可用来获取一个结构指针, 从它里面包含的某个其他结构的指针.
- #include
-
这个包含文件声明内核代码使用的函数来移动数据到和从用户空间.
- unsigned long copy_from_user (void *to, const void *from, unsigned long count);
-
- unsigned long copy_to_user (void *to, const void *from, unsigned long count);
-
在用户空间和内核空间拷贝数据.
