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2013年(50)

我的朋友

分类: LINUX

2013-03-31 23:10:37



内核中每个字符设备都对应一个 cdev 结构的变量,下面是它的定义:

linux-2.6.28/include/linux/cdev.h
struct cdev {
   struct kobject kobj;          // 每个 cdev 都是一个 kobject
   struct module *owner;       // 指向实现驱动的模块
   const struct file_operations *ops;   // 操纵这个字符设备文件的方法
   struct list_head list;       // 与 cdev 对应的字符设备文件的 inode->i_devices 的链表


   dev_t dev;                   // 起始设备编号
   unsigned int count;       // 设备范围号大小
};

一个 cdev 一般它有两种定义初始化方式:静态的和动态的。
静态内存定义初始化:
struct cdev my_cdev;
cdev_init(&my_cdev, &fops);
my_cdev.owner = THIS_MODULE;

动态内存定义初始化:
struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();
my_cdev->ops = &fops;
my_cdev->owner = THIS_MODULE;

两种使用方式的功能是一样的,只是使用的内存区不一样,一般视实际的数据结构需求而定。

下面贴出了两个函数的代码,以具体看一下它们之间的差异。
struct cdev *cdev_alloc(void)
{
   struct cdev *p = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);
   if (p) {
       INIT_LIST_HEAD(&p->list);
       kobject_init(&p->kobj, &ktype_cdev_dynamic);
   }
   return p;
}

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
{
   memset(cdev, 0, sizeof *cdev);
   INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);
   kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);
   cdev->ops = fops;
}
由此可见,两个函数完成都功能基本一致,只是 cdev_init() 还多赋了一个 cdev->ops 的值。

初始化 cdev 后,需要把它添加到系统中去。为此可以调用 cdev_add() 函数。传入 cdev 结构的

指针,起始设备编号,以及设备编号范围。
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
{
   p->dev = dev;
   p->count = count;
   return kobj_map(cdev_map, dev, count, NULL, exact_match, exact_lock, p);
}

关于 kobj_map() 函数就不展开了,我只是大致讲一下它的原理。内核中所有都字符设备都会记录

在一个 kobj_map 结构的 cdev_map 变量中。这个结构的变量中包含一个散列表用来快速存取所有

的对象。kobj_map() 函数就是用来把字符设备编号和 cdev 结构变量一起保存到 cdev_map 这个散

列表里。当后续要打开一个字符设备文件时,通过调用 kobj_lookup() 函数,根据设备编号就可以

找到 cdev 结构变量,从而取出其中的 ops 字段。

当一个字符设备驱动不再需要的时候(比如模块卸载),就可以用 cdev_del() 函数来释放 cdev

占用的内存。
void cdev_del(struct cdev *p)
{
   cdev_unmap(p->dev, p->count);
   kobject_put(&p->kobj);
}
其中 cdev_unmap() 调用 kobj_unmap() 来释放 cdev_map 散列表中的对象。kobject_put() 释放

cdev 结构本身。

@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@
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:

   static struct char_device_struct {
       struct char_device_struct *next;    // 指向散列冲突链表中的下一个元素的指针
       unsigned int major;                 // 主设备号
       unsigned int baseminor;             // 起始次设备号
       int minorct;                        // 设备编号的范围大小
       char name[64];                      // 处理该设备编号范围内的设备驱动的名称
       struct file_operations *fops;       // 没有使用
       struct cdev *cdev;                  // 指向字符设备驱动程序描述符的指针
   } *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

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。

static struct char_device_struct * __register_chrdev_region(unsigned int major,

unsigned int baseminor, int minorct, const char *name)
{
   struct char_device_struct *cd, **cp;
   int ret = 0;
   int i;

   cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL);
   if (cd == NULL)
       return ERR_PTR(-ENOMEM);

   mutex_lock(&chrdevs_lock);

   if (major == 0) {
        for (i = ARRAY_SIZE(chrdevs)-1; i > 0; i--)
           if (chrdevs[i] == NULL)
               break;

       if (i == 0) {
           ret = -EBUSY;
           goto out;
       }
       major = i;
       ret = major;
   }

   cd->major = major;
   cd->baseminor = baseminor;
   cd->minorct = minorct;
   strncpy(cd->name,name, 64);

   i = major_to_index(major);

   for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next)
       if ((*cp)->major > major ||
            ((*cp)->major == major && ( ((*cp)->baseminor >= baseminor) || ((*cp)-

>baseminor + (*cp)->minorct > baseminor)) ))
           break;

   /* Check for overlapping minor ranges. */
   if (*cp && (*cp)->major == major) {
       int old_min = (*cp)->baseminor;
       int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct - 1;
       int new_min = baseminor;
       int new_max = baseminor + minorct - 1;

       /* New driver overlaps from the left. */
       if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) {
           ret = -EBUSY;
           goto out;
       }

       /* New driver overlaps from the right. */
       if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) {
           ret = -EBUSY;
           goto out;
       }
   }

   cd->next = *cp;
   *cp = cd;
   mutex_unlock(&chrdevs_lock);
   return cd;
out:
   mutex_unlock(&chrdevs_lock);
   kfree(cd);
   return ERR_PTR(ret);
}
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()。

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);
       if (next > to)
           next = to;
       cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n, name);
       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);
}
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

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char

*name)
{
   struct char_device_struct *cd;
   cd = __register_chrdev_region(0, baseminor, count, name);
   if (IS_ERR(cd))
       return PTR_ERR(cd);
   *dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor);
   return 0;
}
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。

int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations

*fops)
{
   struct char_device_struct *cd;
   struct cdev *cdev;
   char *s;
   int err = -ENOMEM;

   cd = __register_chrdev_region(major, 0, 256, name);
   if (IS_ERR(cd))
       return PTR_ERR(cd);

   cdev = cdev_alloc();
   if (!cdev)
       goto out2;

   cdev->owner = fops->owner;
   cdev->ops = fops;
   kobject_set_name(&cdev->kobj, "%s", name);
   for (s = strchr(kobject_name(&cdev->kobj),'/'); s; s = strchr(s, '/'))
       *s = '!';

   err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, 0), 256);
   if (err)
       goto out;

   cd->cdev = cdev;

   return major ? 0 : cd->major;
out:
   kobject_put(&cdev->kobj);
out2:
   kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, 0, 256));
   return err;
}
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。

static struct char_device_struct * __unregister_chrdev_region(unsigned major, unsigned

baseminor, int minorct)
{
   struct char_device_struct *cd = NULL, **cp;
   int i = major_to_index(major);

   mutex_lock(&chrdevs_lock);
   for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next)
       if ((*cp)->major == major &&
           (*cp)->baseminor == baseminor &&
           (*cp)->minorct == minorct)
               break;
   if (*cp) {
       cd = *cp;
       *cp = cd->next;
   }
   mutex_unlock(&chrdevs_lock);
   return cd;
}

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
{
   dev_t to = from + count;
   dev_t n, next;

   for (n = from; n < to; n = next) {
       next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);
       if (next > to)
           next = to;
       kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n));
   }
}

void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)
{
   struct char_device_struct *cd;
   cd = __unregister_chrdev_region(major, 0, 256);
   if (cd && cd->cdev)
       cdev_del(cd->cdev);
   kfree(cd);
}

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