深度解析字符設(shè)備驅(qū)動模型

在linux系統(tǒng)中，很多驅(qū)動是字符型驅(qū)動，有些是直接編譯集成在內(nèi)核中，另一些是單獨(dú)編譯成“。ko”動態(tài)加載的。其實(shí)字符驅(qū)動只是個外殼，用于內(nèi)核與應(yīng)用程序間通信，無非是調(diào)用open，release，read，write和ioctl等例程。所以根據(jù)應(yīng)用不同，字符驅(qū)動能會調(diào)用其他驅(qū)動模塊，如i2c、spi和v4l2等，于是字符驅(qū)動還可分WDT驅(qū)動、RTC驅(qū)動和MTD驅(qū)動等。所以在分析其他驅(qū)動模塊之前有必要好好分析下字符設(shè)備驅(qū)動模型。本篇文章要講的就是字符設(shè)備驅(qū)動模型，也就是字符設(shè)備驅(qū)動是怎么注冊和注銷的，怎么生成設(shè)備節(jié)點(diǎn)的，怎么和應(yīng)用程序關(guān)聯(lián)的，例程調(diào)用具體如何實(shí)現(xiàn)的等等。
　　一、字符設(shè)備驅(qū)動的注冊和注銷
　　對于寫過linux-2.6內(nèi)核（本文采用linux-2.6.18內(nèi)核）字符驅(qū)動的程序員來說，對下面這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； /*初始的范圍很大*/
　　base-》get = base_probe； /*保存函數(shù)指針*/
　　for （i = 0； i probes［i］ = base； /*所有指針都指向同一個base */
　　p-》lock = lock；
　　return p；
　　}。
　　復(fù)制代碼該函數(shù)只是分配了一個結(jié)構(gòu)體struct kobj_map，并做了初始化，保存了函數(shù)指針base_probe和全局鎖lock。
　　下面就按照驅(qū)動注冊流程一個個解析這些例程調(diào)用吧。首先是alloc_chrdev_region（）函數(shù)，解析它之前，先看看結(jié)構(gòu)體（定義了255個結(jié)構(gòu)體指針），static struct char_device_struct {
　　/*被255整除后相同的設(shè)備號鏈成一個單向鏈表*/
　　struct char_device_struct *next；
　　unsigned int major； /*主設(shè)備號*/
　　unsigned int baseminor； /*次設(shè)備起始號*/
　　int minorct； /*次設(shè)備號范圍*/
　　char name［64］； /*驅(qū)動的名字*/
　　struct file_operations *fops； /*保存文件操作指針，目前沒有使用*/
　　struct cdev *cdev； /* will die */ /*目前沒有使用*/
　　} *chrdevs［CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE］； /* CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE = 255 */
　　復(fù)制代碼它的作用僅僅是用于注冊字符設(shè)備驅(qū)動，保存已經(jīng)注冊字符驅(qū)動的一些信息，如主次設(shè)備號，次設(shè)備號的數(shù)量，驅(qū)動的名字等，便于字符設(shè)備驅(qū)動注冊時索引查找。
　　alloc_chrdev_region（）函數(shù)很簡單，通過調(diào)用__register_chrdev_region（）來實(shí)現(xiàn)，通過英語注釋你也可以明白，這個函數(shù)有兩個作用，一是，如果主設(shè)備號為0，則分配一個最近的主設(shè)備號，返回給調(diào)用者；二是，如果主設(shè)備號不為0，則占用好該主設(shè)備號對應(yīng)的位置，返回給調(diào)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（ /*這下看到了吧，加鎖，就允許你一個人進(jìn)來*/
　　/* temporary */
　　if （major == 0） { /*如果主設(shè)備號為零，則找一個最近空閑的號碼分配*/
　　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；
　　}
　　/*這些不用說你懂的*/
　　cd-》major = major；
　　cd-》baseminor = baseminor；
　　cd-》minorct = minorct；
　　strncpy（cd-》name，name， 64）；
　　i = major_to_index（major）；
　　/*如果主設(shè)備號不為0，則占用好該主設(shè)備號對應(yīng)的位置*/
　　for （cp = *cp； cp =
　　if （（*cp）-》major 》 major ||
　?。ǎ?cp）-》major == major （*cp）-》baseminor 》= baseminor））
　　break；
　　if （*cp （*cp）-》major == major
　　（*cp）-》baseminor next = *cp；
　　*cp = cd；
　　mutex_unlock（ /*開鎖，隊列里的下一個人可以進(jìn)來了*/
　　return cd；
　　out：
　　mutex_unlock（
　　kfree（cd）；
　　return ERR_PTR（ret）；
　　}
　　復(fù)制代碼接著是cdev_init（）函數(shù)，先說說cdev的結(jié)構(gòu)體，struct cdev {
　　struct kobject kobj； /*不多解釋了，看看鄙人前面寫的文章吧*/
　　struct module *owner； /*模塊鎖定和加載時用得著*/
　　const struct file_operations *ops； /*保存文件操作例程結(jié)構(gòu)體*/
　　struct list_head list； /* open時，會將其inode加到該鏈表中，方便判別是否空閑*/
　　dev_t dev； /*設(shè)備號*/
　　unsigned int count；
　　}；
　　復(fù)制代碼cdev結(jié)構(gòu)體把字符設(shè)備驅(qū)動和文件系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，后面解析字符設(shè)備驅(qū)動怎樣運(yùn)行的時候會詳談。
　　cdev_init（）函數(shù)如下，void cdev_init（struct cdev *cdev， const struct file_operations *fops）
　　{
　　memset（cdev， 0， sizeof *cdev）；
　　INIT_LIST_HEAD（
　　cdev-》kobj.ktype = /*卸載驅(qū)動時會用到，別急，后面詳講*/
　　kobject_init（
　　cdev-》ops = fops； /*用戶寫的字符設(shè)備驅(qū)動fops就保存在這了*/
　　}。
　　復(fù)制代碼你也看到了，該函數(shù)就是對變量做了初始化，關(guān)于kobject的解析，建議你看看鄙人博客上寫的《Linux設(shè)備模型淺析之設(shè)備篇》和《Linux設(shè)備模型淺析之驅(qū)動篇》兩篇文章，這里就不詳談了。
　　用戶的fops，在本文中是test_fops，一般形式是這樣的，
　　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，
　　}；
　　復(fù)制代碼
　　接著又調(diào)用了函數(shù)cdev_add（），這個函數(shù)又調(diào)用了kobj_map（）函數(shù)，其作用就是分配一個struct probe結(jié)構(gòu)體，填充該結(jié)構(gòu)體中的變量并將其加入到全局的cdev_map中，說白了，就是分個一畝三分田給該字符設(shè)備驅(qū)動，并做好標(biāo)記，放到主設(shè)備號對應(yīng)的地方，等主人下次來找的時候能找到（使用kobj_lookup（）函數(shù)，后面會講到）。該函數(shù)是這樣的，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；
　　/*分配了一畝三分田*/
　　p = kmalloc（sizeof（struct probe） * n， GFP_KERNEL）；
　　if （p == NULL）
　　return -ENOMEM；
　　/*填充些私有的東西*/
　　for （i = 0； i owner = module；
　　p-》get = probe； /*是exact_match （）函數(shù)，獲取cdev結(jié)構(gòu)體的kobject指針*/
　　p-》lock = lock； /*是exact_lock（）函數(shù)，增加引用*/
　　p-》dev = dev；
　　p-》range = range；
　　p-》data = data； /* cdev保存到p-》data中*/
　　}
　　mutex_lock（domain-》lock）；
　　/*將這一畝三分田加到主設(shè)備號對應(yīng)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；
　　}
　　復(fù)制代碼接下來有class_create（）函數(shù)和class_device_create（）函數(shù)，前者生成一個名字為“testchar”的class，后者作用就是在/dev目錄下生成設(shè)備節(jié)點(diǎn)，當(dāng)然，需要uevent和UDEVD的支持，具體可見鄙人博客上的文章《Linux設(shè)備模型淺析之uevent篇》。
　　順帶說下register_chrdev（）函數(shù)，其也是注冊字符設(shè)備驅(qū)動，只不過是封裝好的，包含了所有前面講的注冊步驟——分配一個設(shè)備號，由一個主設(shè)備號和255個次設(shè)備號組成。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（）； /*這個有點(diǎn)不一樣，動態(tài)分配的，不是調(diào)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；
　　}
?