Linux设备驱动-内核如何管理设备号
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Linux设备驱动-内核如何管理设备号相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
开篇
本文引用的内核代码参考来自版本 linux-5.15.4 。
在 Linux 系统中，每个注册到系统的设备都有一个编号，这个编号便是 Linux 系统中的设备号。
设备号作为一种系统资源，需要加以管理。否则，如果设备号与驱动程序对应关系错误，就会引起混乱或引起潜在的问题。
通过查看 /proc/devices 文件可以得到系统中注册的设备，第一列为主设备号，第二列为设备名称
$ cat /proc/devices
Character devices:
1 mem
4 /dev/vc/0
4 tty
4 ttyS
5 /dev/tty
5 /dev/console
5 /dev/ptmx
5 ttyprintk
6 lp
7 vcs
10 misc
13 input
21 sg
...
Block devices:
7 loop
8 sd
9 md
11 sr
65 sd
66 sd
...
设备号的构成
一个设备号由主设备号和次设备号构成。
主设备号对应设备驱动程序，同一类设备一般使用相同的主设备号。
次设备号由驱动程序使用，驱动程序用来描述使用该驱动的设备的序号，序号一般从 0 开始。
Linux 设备号用 dev_t 类型的变量进行标识，这是一个 32位 无符号整数，内核源码定义为：
/* <include/linux/types.h> */
typedef u32 __kernel_dev_t;
typedef __kernel_dev_t dev_t;
主设备号用 dev_t 的高 12 位表示，次设备号用 dev_t 低 20 位表示。
内核提供了几个宏定义，供驱动程序操作设备号时使用：
/* <include/linux/kdev_t.h> */
#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))
宏 MAJOR 从设备号 dev 中提取主设备号。宏 MINOR 用来从设备号 dev 中提取次设备号。宏 MKDEV 用来将主设备号 ma 和 次设备号 mi 组合成 dev_t 类型的设备号。
另外，内核也提供了从设备文件 i-节点结构（inode 结构体）中获取主次设备号的函数，如下：
/* <include/linux/fs.h> */
/* 获取次设备号 */
static inline unsigned iminor(const struct inode *inode)
return MINOR(inode->i_rdev);
/* 获取主设备号 */
static inline unsigned imajor(const struct inode *inode)
return MAJOR(inode->i_rdev);
通过函数源码可知，获取主设备号和次设备号最终是通过宏定义完成的。
内核管理设备号
以字符设备为例，向内核中注册设备号，内核是如何分配和管理设备号的呢？
在编写字符设备驱动时，可以通过如下两个系统调用向内核注册设备号：
- register_chrdev_region()
注册一系列连续的字符设备号，主设备号需要函数调用者指定。此函数的原型为：
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
参数 from 为设备编号，包含主设备号和次设备号。参数 count 用于指定连续设备号的个数，即当前驱动程序所管理的同类设备的个数。参数 name 为设备或驱动的名字。
执行成功，返回 0。失败，则返回一个负值的错误码。
- alloc_chrdev_region()
注册一系列连续的字符设备号，主设备号是由内核动态分配得到的。此函数的原型为：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
参数 dev 为函数的传出参数，用于记录动态分配的设备号，如果申请多个设备号，则此参数记录这些连续设备号的起始值。
参数 baseminor 指定首个次设备号。参数 count 用于指定连续设备号的个数。参数 name 为设备或驱动的名字。
执行成功，返回 0。失败，则返回一个负值的错误码。
接下来，看看这两个函数的内部实现流程。
register_chrdev_region()
该函数的内核源码为，关键部分已加注释：
/* <fs.char_dev.c> */
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;
/* 循环，注册多个连续的设备号 */
for (n = from; n < to; n = next)
/* 计算得到下一个设备号 */
next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);
/* 判断是否超限 */
if (next > to)
next = to;
/* 向内核注册指定的设备号 */
cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n, name);
if (IS_ERR(cd))
goto fail;
return 0;
fail:
/* 如果失败，则释放已申请的设备号资源 */
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);
由代码内容可知，这个函数的核心处理流程是通过内部调用 __register_chrdev_region()实现的。
这个函数的主要功能是，将要使用的设备号注册到内核的设备号管理体系中，避免多个驱动程序使用相同的设备号，而引起的混乱。
如果注册设备号已经被使用，则会返回错误码告知调用者，即调用失败。如果成功，则函数返回 0。
struct char_device_struct
在调用过程中，会涉及到一个关键的数据结构 struct char_device_struct，其定义如下：
#define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 255
static struct char_device_struct
struct char_device_struct *next; /* 链表指针 */
unsigned int major; /* 主设备号 */
unsigned int baseminor; /* 次设备号 */
int minorct; /* 此设备号个数 */
char name[64]; /* 设备名称 */
struct cdev *cdev; /* will die */
*chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];
定义结构体的同时，还定义了一个全局性的指针数组 chrdevs，是内核用来分配和管理设备号的。数组中的每一个元素都是指向 struct char_device_struct 类型的指针。
函数 register_chrdev_region() 的主要功能是将驱动程序要使用的设备号记录到 chrdevs 数组中。
__register_chrdev_region()
核心处理函数 __register_chrdev_region() 内部，首先会分配一个 struct char_device_struct 类型的指针 cd，然后对其进行初始化（已经去除无关代码）：
static struct char_device_struct *
__register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor,
int minorct, const char *name)
...
cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL);
if (cd == NULL)
return ERR_PTR(-ENOMEM);
/* 根据主设备号计算索引，搜索 chrdevs 数组，判断主设备号是否可用 */
i = major_to_index(major);
for (curr = chrdevs[i]; curr; prev = curr, curr = curr->next)
if (curr->major < major)
continue;
if (curr->major > major)
break;
if (curr->baseminor + curr->minorct <= baseminor)
continue;
if (curr->baseminor >= baseminor + minorct)
break;
goto out;
/* 初始化信息 */
cd->major = major;
cd->baseminor = baseminor;
cd->minorct = minorct;
strlcpy(cd->name, name, sizeof(cd->name));
/* 将分配的 cd 加入到 chrdevs[i] 中 */
if (!prev)
cd->next = curr;
chrdevs[i] = cd;
else
cd->next = prev->next;
prev->next = cd;
...
函数申请完内存资源后，开始扫描 chrdevs 数组，确保当前注册的设备号可用。如果设备号占用，函数返回错误码，即调用失败。
如果设备号可用，则用设备号和名字信息初始化。初始化完成后，将 struct char_device_struct 加入到内核管理设备号的链表中。
alloc_chrdev_region()
此函数由内核动态分配设备号，该函数的内核源码如下，关键部分已加注释：
/* <fs.char_dev.c> */
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,
const char *name)
struct char_device_struct *cd;
/* 向内核注册设备号 */
cd = __register_chrdev_region(0, baseminor, count, name);
if (IS_ERR(cd))
return PTR_ERR(cd);
/* 得到动态获取的首个设备号 */
*dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor);
return 0;
这个函数的核心处理也是由函数 __register_chrdev_region() 实现的。
与 register_chrdev_region() 相比，alloc_chrdev_region() 在调用 __register_chrdev_region() 时，第一个参数为 0。此时 __register_chrdev_region() 处理流程代码如下，
static struct char_device_struct *
__register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor,
int minorct, const char *name)
...
cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL);
if (cd == NULL)
return ERR_PTR(-ENOMEM);
/* 查找可用的主设备号 */
f (major == 0)
ret = find_dynamic_major();
if (ret < 0)
pr_err("CHRDEV \\"%s\\" dynamic allocation region is full\\n",
name);
goto out;
major = ret;
...
在分配完成 struct char_device_struct 内存资源之后，通过 find_dynamic_major() 查找可用的主设备号。后续处理与 register_chrdev_region() 函数调用处理相同。
设备号分配成功后，将 struct char_device_struct 类型指针返回给 alloc_chrdev_region() 函数。然后再通过如下代码将新分配的设备号返回给 alloc_chrdev_region() 调用者：
*dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor);
小结
本文主要介绍了以下几点内容：
- 设备号是如何构成的，以及对其操作的宏定义。
- register_chrdev_region() 和 alloc_chrdev_region() 实现细节。
- 记录设备号相关信息的关键数据结构
struct char_device_struct。 - 内核通过 chrdevs 数组来跟踪系统中设备号的使用情况。
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