深度解析字符设备驱动模型

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资料介绍

在linux系统中，很多驱动是字符型驱动，有些是直接编译集成在内核中，另一些是单独编译成“。ko”动态加载的。其实字符驱动只是个外壳，用于内核与应用程序间通信，无非是调用open，release，read，write和ioctl等例程。所以根据应用不同，字符驱动能会调用其他驱动模块，如i2c、spi和v4l2等，于是字符驱动还可分WDT驱动、RTC驱动和MTD驱动等。所以在分析其他驱动模块之前有必要好好分析下字符设备驱动模型。本篇文章要讲的就是字符设备驱动模型，也就是字符设备驱动是怎么注册和注销的，怎么生成设备节点的，怎么和应用程序关联的，例程调用具体如何实现的等等。
　　一、字符设备驱动的注册和注销
　　对于写过linux-2.6内核（本文采用linux-2.6.18内核）字符驱动的程序员来说，对下面这段程序的形式肯定不陌生。int result；
　　/*
　　* Register the driver in the kernel
　　* Dynmically get the major number for the driver using
　　* alloc_chrdev_region function
　　*/
　　result = alloc_chrdev_region（ 0， 1，“testchar”）；
　　/* if it fails return error */
　　if （result dev = 1；
　　base-》range = ~0； /*初始的范围很大*/
　　base-》get = base_probe； /*保存函数指针*/
　　for （i = 0； i probes［i］ = base； /*所有指针都指向同一个base */
　　p-》lock = lock；
　　return p；
　　}。
　　复制代码该函数只是分配了一个结构体struct kobj_map，并做了初始化，保存了函数指针base_probe和全局锁lock。
　　下面就按照驱动注册流程一个个解析这些例程调用吧。首先是alloc_chrdev_region（）函数，解析它之前，先看看结构体（定义了255个结构体指针），static struct char_device_struct {
　　/*被255整除后相同的设备号链成一个单向链表*/
　　struct char_device_struct *next；
　　unsigned int major； /*主设备号*/
　　unsigned int baseminor； /*次设备起始号*/
　　int minorct； /*次设备号范围*/
　　char name［64］； /*驱动的名字*/
　　struct file_operations *fops； /*保存文件操作指针，目前没有使用*/
　　struct cdev *cdev； /* will die */ /*目前没有使用*/
　　} *chrdevs［CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE］； /* CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE = 255 */
　　复制代码它的作用仅仅是用于注册字符设备驱动，保存已经注册字符驱动的一些信息，如主次设备号，次设备号的数量，驱动的名字等，便于字符设备驱动注册时索引查找。
　　alloc_chrdev_region（）函数很简单，通过调用__register_chrdev_region（）来实现，通过英语注释你也可以明白，这个函数有两个作用，一是，如果主设备号为0，则分配一个最近的主设备号，返回给调用者；二是，如果主设备号不为0，则占用好该主设备号对应的位置，返回给调用者。如下，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（ /*这下看到了吧，加锁，就允许你一个人进来*/
　　/* temporary */
　　if （major == 0） { /*如果主设备号为零，则找一个最近空闲的号码分配*/
　　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；
　　}
　　/*这些不用说你懂的*/
　　cd-》major = major；
　　cd-》baseminor = baseminor；
　　cd-》minorct = minorct；
　　strncpy（cd-》name，name， 64）；
　　i = major_to_index（major）；
　　/*如果主设备号不为0，则占用好该主设备号对应的位置*/
　　for （cp = *cp； cp =
　　if （（*cp）-》major 》 major ||
　　（（*cp）-》major == major （*cp）-》baseminor 》= baseminor））
　　break；
　　if （*cp （*cp）-》major == major
　　（*cp）-》baseminor next = *cp；
　　*cp = cd；
　　mutex_unlock（ /*开锁，队列里的下一个人可以进来了*/
　　return cd；
　　out：
　　mutex_unlock（
　　kfree（cd）；
　　return ERR_PTR（ret）；
　　}
　　复制代码接着是cdev_init（）函数，先说说cdev的结构体，struct cdev {
　　struct kobject kobj； /*不多解释了，看看鄙人前面写的文章吧*/
　　struct module *owner； /*模块锁定和加载时用得着*/
　　const struct file_operations *ops； /*保存文件操作例程结构体*/
　　struct list_head list； /* open时，会将其inode加到该链表中，方便判别是否空闲*/
　　dev_t dev； /*设备号*/
　　unsigned int count；
　　}；
　　复制代码cdev结构体把字符设备驱动和文件系统相关联，后面解析字符设备驱动怎样运行的时候会详谈。
　　cdev_init（）函数如下，void cdev_init（struct cdev *cdev， const struct file_operations *fops）
　　{
　　memset（cdev， 0， sizeof *cdev）；
　　INIT_LIST_HEAD（
　　cdev-》kobj.ktype = /*卸载驱动时会用到，别急，后面详讲*/
　　kobject_init（
　　cdev-》ops = fops； /*用户写的字符设备驱动fops就保存在这了*/
　　}。
　　复制代码你也看到了，该函数就是对变量做了初始化，关于kobject的解析，建议你看看鄙人博客上写的《Linux设备模型浅析之设备篇》和《Linux设备模型浅析之驱动篇》两篇文章，这里就不详谈了。
　　用户的fops，在本文中是test_fops，一般形式是这样的，
　　static const struct file_operations test_fops = {
　　。owner = THIS_MODULE，
　　。open = test_fops_open，
　　。release = test_fops_release，
　　。ioctl = test_fops_ioctl，
　　。read = test_fops_read，
　　。write = test_fops_write，
　　}；
　　复制代码
　　接着又调用了函数cdev_add（），这个函数又调用了kobj_map（）函数，其作用就是分配一个struct probe结构体，填充该结构体中的变量并将其加入到全局的cdev_map中，说白了，就是分个一亩三分田给该字符设备驱动，并做好标记，放到主设备号对应的地方，等主人下次来找的时候能找到（使用kobj_lookup（）函数，后面会讲到）。该函数是这样的，int kobj_map（struct kobj_map *domain， dev_t dev， unsigned long range，
　　struct module *module， kobj_probe_t *probe，
　　int （*lock）（dev_t， void *）， void *data）
　　{
　　unsigned n = MAJOR（dev + range - 1） - MAJOR（dev） + 1；
　　unsigned index = MAJOR（dev）；
　　unsigned i；
　　struct probe *p；
　　if （n 》 255）
　　n = 255；
　　/*分配了一亩三分田*/
　　p = kmalloc（sizeof（struct probe） * n， GFP_KERNEL）；
　　if （p == NULL）
　　return -ENOMEM；
　　/*填充些私有的东西*/
　　for （i = 0； i owner = module；
　　p-》get = probe； /*是exact_match （）函数，获取cdev结构体的kobject指针*/
　　p-》lock = lock； /*是exact_lock（）函数，增加引用*/
　　p-》dev = dev；
　　p-》range = range；
　　p-》data = data； /* cdev保存到p-》data中*/
　　}
　　mutex_lock（domain-》lock）；
　　/*将这一亩三分田加到主设备号对应的位置上去*/
　　for （i = 0， p -= n； i probes［index % 255］；
　　while （*s （*s）-》range next；
　　p-》next = *s；
　　*s = p；
　　}
　　mutex_unlock（domain-》lock）；
　　return 0；
　　}
　　复制代码接下来有class_create（）函数和class_device_create（）函数，前者生成一个名字为“testchar”的class，后者作用就是在/dev目录下生成设备节点，当然，需要uevent和UDEVD的支持，具体可见鄙人博客上的文章《Linux设备模型浅析之uevent篇》。
　　顺带说下register_chrdev（）函数，其也是注册字符设备驱动，只不过是封装好的，包含了所有前面讲的注册步骤——分配一个设备号，由一个主设备号和255个次设备号组成。如下，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（）； /*这个有点不一样，动态分配的，不是调用者提供*/
　　if （！cdev）
　　goto out2；
　　cdev-》owner = fops-》owner；
　　cdev-》ops = fops；
　　kobject_set_name（ “%s”， name）；
　　for （s = strchr（kobject_name（ 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（
　　out2：
　　kfree（__unregister_chrdev_region（cd-》major， 0， 256））；
　　return err；
　　}