char device driver

Posted 2020-06-26

概览：
    第一步：注册设备号                                              信息#tail -f /var/log/message
        注册函数：
            register_chrdev_region() 或                             查看#lsmod
            alloc_chrdev_region()    或                             查看#cat /proc/devices
            register_chrdev()
        注销函数：
            unregist_chrdev_region() 或
            unregister_chrdev()
    
    第二步：初始化cdev并添加到系统
        初始化cdev
            静态初始化 cdev_init() 或
            动态初始化 cdev_alloc()
        添加到系统函数
            cdev_add()
        从系统删除函数
            cdev_del()
            
    第三步：创建设备节点
        创建类
            class_create()          将放于/sysfs                    查看#ls /sys/class
        删除类
            class_destroy()
        
        创建节点
            device_create() 或 class_device_create()  将存放于/dev  查看#ls /dev
        删除节点
            device_destroy() 或 class_device_destroy()
    
    第四步：简单示例

/***************************************************************************************************
                                   第一步：注册设备号
***************************************************************************************************/
Linux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：

  

[cpp] view plain copy

 

1. static struct char_device_struct  
2.     {  
3.         struct char_device_struct *next;    // 指向散列冲突链表中的下一个元素的指针  
4.         unsigned    int major;              // 主设备号  
5.         unsigned    int baseminor;          // 起始次设备号  
6.         int minorct;                        // 设备编号的范围大小  
7.         char    name[64];                   // 处理该设备编号范围内的设备驱动的名称  
8.         struct file_operations *fops;       // 没有使用  
9.         struct cdev *cdev;                  // 指向字符设备驱动程序描述符的指针  
10.     }*chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];  

   

 

    1 每一个主设备有一个会分配一个此结构，可以有多个次设备号。次设备是依次递增的。
    2 内核提供了5个函数来来管理字符设备编号。
    
            register_chrdev_region()        指定初始值
            alloc_chrdev_region()           动态分配
            register_chrdev()               指定设备号
            他们都会调用 __register_chrdev_region() 来注册一组设备编号范围(一个char_device_struct结构),我们使用其中一个即可。
            
            unregist_chrdev_region()        释放都用此函数
            unregister_chrdev()             都调用了 __unregister_chrdev_region() 来注销设备

        注册：
               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);

            int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned int firstminor,unsigned int count,char *name);
                *dev        :存放返回的设备号
                firstminor  :第一个次设备号的号数,常为0;

            int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops)
                major ：要注册的设备号， 若为0则自动分配一个
                name  ：设备名
                *fops ：以后再聊

        释放:
            void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);
            void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
    3 详细分析

       

[cpp] view plain copy

 

1. /** 
2.  * register_chrdev_region() - register a range of device numbers 
3.  * @from: the first in the desired range of device numbers; must include 
4.  *        the major number. 
5.  * @count: the number of consecutive device numbers required 
6.  * @name: the name of the device or driver. 
7.  * 
8.  * Return value is zero on success, a negative error code on failure. 
9.  */  
10. int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)  
11. {  
12.     struct char_device_struct *cd;  
13.     dev_t to = from + count;  
14.     dev_t n, next;  
15.  ／＊＊  
16.     这个for循环主要是判断次设备号是否超过下一个主设备号。  
17.     如果超过（next<to)那么就只申请next－n个次设备号，也就是说，只申请一个主设备号对应的最大的次设备号的数量。  
18.     如果没有超过（next>to),那么就是申请用户穿过来的次设备数量，还是next-n，但是这个next＝to的  
19.     其实这里可以不用for循环写的，这里的for循环也只执行了一次  
20.     还就是char dev主设备号和次设备号的大小又一个宏来控制，有8|8型也有12|20型  
21. ＊／  
22.        for (n = from; n < to; n = next) {  
23.         next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);  
24.         if (next > to)  
25.             next = to;  
26.         cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n),  
27.                    next - n, name);  
28.         if (IS_ERR(cd))  
29.             goto fail;  
30.     }  
31.     return 0;  
32. fail:  
33.     to = n;  
34.     for (n = from; n < to; n = next) {  
35.         next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);  
36.         kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n));  
37.     }  
38.     return PTR_ERR(cd);  
39. }  

 

 

 

[cpp] view plain copy

 

1. /* 
2.  * Register a single major with a specified minor range. 
3.  * 
4.  * If major == 0 this functions will dynamically allocate a major and return 
5.  * its number. 
6.  * 
7.  * If major > 0 this function will attempt to reserve the passed range of 
8.  * minors and will return zero on success. 
9.  * 
10.  * Returns a -ve errno on failure. 
11.  */  
12. static struct char_device_struct *<span style="font-size:12px;"><span style="font-family:SimSun;"> </span></span>__register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor,int minorct, const char *name)  
13. {  
14.     struct char_device_struct *cd, **cp;  
15.     int ret = 0;  
16.     int i;  
17.   
18.     cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL);  
19.     if (cd == NULL)  
20.         return ERR_PTR(-ENOMEM);  
21.   
22.     mutex_lock(&chrdevs_lock);  
23.   
24.     /* temporary */  
25.     if (major == 0) {  
26.         for (i = ARRAY_SIZE(chrdevs)-1; i > 0; i--) {  
27.             if (chrdevs[i] == NULL)  
28.                 break;  
29.         }  
30.   
31.         if (i == 0) {  
32.             ret = -EBUSY;  
33.             goto out;  
34.         }  
35.         major = i;  
36.         ret = major;  
37.     }  
38.   
39.     cd->major = major;  
40.     cd->baseminor = baseminor;  
41.     cd->minorct = minorct;  
42.     strlcpy(cd->name, name, sizeof(cd->name));  
43.   
44.     i = major_to_index(major);  
45.   
46.     for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next)  
47.         if ((*cp)->major > major ||  
48.             ((*cp)->major == major &&  
49.              (((*cp)->baseminor >= baseminor) ||  
50.               ((*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor))))  
51.             break;  
52.   
53.     /* Check for overlapping minor ranges.  */  
54.     if (*cp && (*cp)->major == major) {  
55.         int old_min = (*cp)->baseminor;  
56.         int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct - 1;  
57.         int new_min = baseminor;  
58.         int new_max = baseminor + minorct - 1;  
59.   
60.         /* New driver overlaps from the left.  */  
61.         if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) {  
62.             ret = -EBUSY;  
63.             goto out;  
64.         }  
65.   
66.         /* New driver overlaps from the right.  */  
67.         if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) {  
68.             ret = -EBUSY;  
69.             goto out;  
70.         }  
71.     }  
72.   
73.     cd->next = *cp;  
74.     *cp = cd;  
75.     mutex_unlock(&chrdevs_lock);  
76.     return cd;  
77. out:  
78.     mutex_unlock(&chrdevs_lock);  
79.     kfree(cd);  
80.     return ERR_PTR(ret);  
81. }  

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。

 

所有的字符设备驱动描述都放在chrdevs这个数组中。
static struct char_device_struct {
    struct char_device_struct *next;
    unsigned int major;
    unsigned int baseminor;
    int minorct;
    char name[64];
    struct cdev *cdev;        /* will die */
} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

    4 参考：感谢原著 (有此6个函数的源码及解说)。
        http://blog.csdn.net/iLetLet/article/details/6180314

/***************************************************************************************************
                            第二步：初始化 cdev 并添加到系统
***************************************************************************************************/
1.内核中每个字符设备都对应一个 cdev 结构的变量，定义如下：
    linux-2.6.22/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 的链表头
        dev_t dev;                          //起始设备编号
        unsigned int count;                 //设备范围号大小
    };

2. 初始化cdev ：有两种定义初始化方式：
    
    方式1：静态内存定义初始化：
        struct cdev my_cdev;
        cdev_init(&my_cdev, &fops);
        my_cdev.owner = THIS_MODULE;
        
    方式2：动态内存定义初始化：
        struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();
        my_cdev->ops = &fops;
        my_cdev->owner = THIS_MODULE;

    下面是2函数的具体代码：
    

[cpp] view plain copy

 

1. struct cdev *cdev_alloc(void)       //它主要完成了空间的申请和简单的初始化操作；  
2.      {  
3.          struct cdev *p = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);  
4.          if (p)  
5.          {  
6.              INIT_LIST_HEAD(&p->list);  
7.              kobject_init(&p->kobj, &ktype_cdev_dynamic);  
8.          }  
9.          return p;  
10.      }  
11.   
12.      void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)  
13.      {    
14.          memset(cdev, 0, sizeof *cdev);  //主要是对空间起到一个清零作用并较之cdev_alloc多了一个ops的赋值操作  
15.          INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);  
16.          kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);  
17.          cdev->ops = fops;  
18.      }  

 

3. 添加cdev到系统
    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);
    }

    释放时使用 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);   //释放 cdev_map 散列表中的对象
        kobject_put(&p->kobj);          //释放 cdev 结构本身。
    }

4.关于kobject_init() kobj_map()
    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。

/***************************************************************************************************
                            第三步：创建设备节点
***************************************************************************************************/
    方法一：利用mknod命令手动创建设备节点。
    方法二：实际上Linux内核为我们提供了一组函数,可以在模块加载的时候在/dev目录下创建相应设备节点,在卸载时可删除该节点。

    原理：
        1 内核中定义了struct class结构体，它对应一个类。
        2 先调用class_create()函数，可以用它来创建一个类，这个类将存放于sysfs下面.
        3 再调用device_create()函数，从而在/dev目录下创建相应的设备节点。
        4 卸载模块对应的函数是 device_destroy 和 class_destroy()
        注：2.6 以后的版本使用device_create(),之前的版本使用的class_device_create()。

    详解：       

     

[cpp] view plain copy

 

1. 1:class结构：  
2.            include/linux/device.h  
3.            struct class  
4.            {  
5.                const   char        *name;  
6.                struct module       *owner;  
7.                struct kset         subsys;  
8.                struct list_head    devices;  
9.                struct list_head    interfaces;  
10.                struct kset         class_dirs;  
11.                struct semaphore sem;       /* locks    children, devices, interfaces */  
12.                struct class_attribute  *class_attrs;  
13.                struct device_attribute *dev_attrs;  
14.     
15.                int    (*dev_uevent)   (struct device *dev,struct kobj_uevent_env *env);  
16.                void   (*class_release)(struct class *class);  
17.                void   (*dev_release)  (struct device   *dev);  
18.                int    (*suspend)      (struct  device *dev, pm_message_t state);  
19.                int    (*resume)       (struct device *dev);  
20.            };  
21.        2:class_create()  
22.            class_create()在/drivers/base/class.c中实现：  
23.            struct class    *class_create(struct module *owner, //  指定类的所有者是哪个模块  
24.                                          const char *name)     //  指定类名  
25.            {  
26.                struct class *cls;  
27.                int retval;  
28.                cls =   kzalloc(sizeof(*cls), GFP_KERNEL);  
29.                if (!cls)  
30.                {  
31.                    retval =    -ENOMEM;  
32.                    goto    error;  
33.                }  
34.         
35.                cls->name   = name;  
36.                cls->owner = owner;  
37.                cls->class_release = class_create_release;  
38.         
39.                retval = class_register(cls);  
40.                if (retval)  
41.                   goto error;  
42.                return cls;  
43.                error:  
44.                    kfree(cls);  
45.                    return ERR_PTR(retval);  
46.            }  
47.             
48.        3:device_create()函数在/drivers/base/core.c中实现：  
49.            struct device *device_create(struct class *class,   //指定所要创建的设备所从属的类  
50.                                        struct devicev *parent, //这个设备的父设备,如果没有就指定为NULL  
51.                                        dev_t devt,             //设备号  
52.                                        const char *fmt,        //设备名称  
53.                                        ...)                    //从设备号  
54.            {  
55.                va_list vargs;  
56.                struct  device *dev;  
57.                va_start(vargs, fmt);  
58.                dev = device_create_vargs(class, parent, devt,  NULL, fmt, vargs);  
59.                va_end(vargs);  
60.                return  dev;  
61.   
62.            }  

 

 

/***************************************************************************************************
                                   第四步：例子
***************************************************************************************************/

 

[cpp] view plain copy

 

1. #include <linux/module.h>  
2. #include <linux/kernel.h>  
3. #include <linux/init.h>  
4. #include <linux/fs.h>  以上是关于char device driver的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

   char device

   Linux MTD (Memory Technology Device) subsystem analysis -For Atheros char device

   cdev_add和device_create函数之间的区别？

   打开适配器并捕获数据包

   Windows设备驱动判断

   07 字符设备