Linux 字元裝置驅動結構（一）—— cdev 結構體、裝置號相關知識解析
一、字元裝置基礎知識
1、裝置驅動分類
linux系統將裝置分為3類：字元裝置、塊裝置、網路裝置。使用驅動程式：
字元裝置：是指只能一個位元組一個位元組讀寫的裝置，不能隨機讀取裝置記憶體中的某一資料，讀取資料需要按照先後資料。字元裝置是面向流的裝置，常見的字元裝置有滑鼠、鍵盤、串列埠、控制檯和LED裝置等。
塊裝置：是指可以從裝置的任意位置讀取一定長度資料的裝置。塊裝置包括硬碟、磁碟、U盤和SD卡等。
每一個字元裝置或塊裝置都在/dev目錄下對應一個裝置檔案。linux使用者程式通過裝置檔案（或稱裝置節點）來使用驅動程式操作字元裝置和塊裝置
2、字元裝置、字元裝置驅動與使用者空間訪問該裝置的程式三者之間的關係
如圖，在Linux核心中：
a -- 使用cdev結構體來描述字元裝置;
b -- 通過其成員dev_t來定義裝置號（分為主、次裝置號）以確定字元裝置的唯一性;
c -- 通過其成員file_operations來定義字元裝置驅動提供給VFS的介面函式，如常見的open()、read()、write()等;
在Linux字元裝置驅動中:
a -- 模組載入函式通過 register_chrdev_region( ) 或 alloc_chrdev_region( )來靜態或者動態獲取裝置號;
b -- 通過 cdev_init( ) 建立cdev與 file_operations之間的連線，通過 cdev_add( ) 向系統新增一個cdev以完成註冊;
c -- 模組解除安裝函式通過cdev_del( )來登出cdev，通過 unregister_chrdev_region( )來釋放裝置號;
使用者空間訪問該裝置的程式:
a -- 通過Linux系統呼叫，如open( )、read( )、write( )，來“呼叫”file_operations來定義字元裝置驅動提供給VFS的介面函式;
3、字元裝置驅動模型
二、cdev 結構體解析
在Linux核心中，使用cdev結構體來描述一個字元裝置，cdev結構體的定義如下：
-
<include/linux/cdev.h>
-
-
struct cdev {
-
struct kobject kobj;
//內嵌的核心物件.
-
struct module *owner;
//該字元裝置所在的核心模組的物件指標.
-
const
struct file_operations *ops;
//該結構描述了字元裝置所能實現的方法，是極為關鍵的一個結構體.
-
struct list_head list;
//用來將已經向核心註冊的所有字元裝置形成連結串列.
-
dev_t dev;
//字元裝置的裝置號，由主裝置號和次裝置號構成.
-
unsigned
int count;
//隸屬於同一主裝置號的次裝置號的個數.
-
};
核心給出的操作struct cdev結構的介面主要有以下幾個:
a -- void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);
其原始碼如程式碼清單如下：
-
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;
-
}
(1) 將整個結構體清零；
(2) 初始化list成員使其指向自身；
(3) 初始化kobj成員；
(4) 初始化ops成員；
b --struct cdev *cdev_alloc(void);
該函式主要分配一個struct cdev結構，動態申請一個cdev記憶體，並做了cdev_init中所做的前面3步初始化工作(第四步初始化工作需要在呼叫cdev_alloc後，顯式的做初始化即: .ops=xxx_ops).
其原始碼清單如下：
-
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;
-
}
在上面的兩個初始化的函式中，我們沒有看到關於owner成員、dev成員、count成員的初始化；其實，owner成員的存在體現了驅動程式與核心模組間的親密關係，struct module是核心對於一個模組的抽象，該成員在字元裝置中可以體現該裝置隸屬於哪個模組，在驅動程式的編寫中一般由使用者顯式的初始化 .owner = THIS_MODULE, 該成員可以防止裝置的方法正在被使用時，裝置所在模組被解除安裝。而dev成員和count成員則在cdev_add中才會賦上有效的值。
c -- int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);
該函式向核心註冊一個struct cdev結構，即正式通知核心由struct cdev *p代表的字元裝置已經可以使用了。
當然這裡還需提供兩個引數：
(1)第一個裝置號 dev，
(2)和該裝置關聯的裝置編號的數量。
這兩個引數直接賦值給struct cdev 的dev成員和count成員。
d -- void cdev_del(struct cdev *p)；
該函式向核心登出一個struct cdev結構，即正式通知核心由struct cdev *p代表的字元裝置已經不可以使用了。
從上述的介面討論中，我們發現對於struct cdev的初始化和註冊的過程中，我們需要提供幾個東西
(1) struct file_operations結構指標；
(2) dev裝置號；
(3) count次裝置號個數。
但是我們依舊不明白這幾個值到底代表著什麼，而我們又該如何去構造這些值！
三、裝置號相應操作
1 -- 主裝置號和次裝置號（二者一起為裝置號）：
一個字元裝置或塊裝置都有一個主裝置號和一個次裝置號。主裝置號用來標識與裝置檔案相連的驅動程式，用來反映裝置型別。次裝置號被驅動程式用來辨別操作的是哪個裝置，用來區分同類型的裝置。
linux核心中，裝置號用dev_t來描述，2.6.28中定義如下：
typedef u_long dev_t;
在32位機中是4個位元組，高12位表示主裝置號，低20位表示次裝置號。
核心也為我們提供了幾個方便操作的巨集實現dev_t：
1) -- 從裝置號中提取major和minor
MAJOR(dev_t dev);
MINOR(dev_t dev);
2) -- 通過major和minor構建裝置號
MKDEV(int major,int minor);
注：這只是構建裝置號。並未註冊，需要呼叫 register_chrdev_region 靜態申請；
-
//巨集定義：
-
#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))</span>
2、分配裝置號（兩種方法）：
a -- 靜態申請：
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)；
其原始碼清單如下：
-
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);
-
}
b -- 動態分配：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)；
其原始碼清單如下：
-
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;
-
}
可以看到二者都是呼叫了__register_chrdev_region 函式，其原始碼如下：
-
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(&chrdevs_lock);
-
-
/* temporary */
-
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;
-
strlcpy(cd->name, name,
sizeof(cd->name));
-
-
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);
-
}
二者應用可以簡單總結如下：
register_chrdev_region alloc_chrdev_region
| devno = MKDEV(major,minor); ret = register_chrdev_region(devno, 1, "hello"); cdev_init(&cdev,&hello_ops); ret = cdev_add(&cdev,devno,1); | alloc_chrdev_region(&devno, minor, 1, "hello"); major = MAJOR(devno); cdev_init(&cdev,&hello_ops); ret = cdev_add(&cdev,devno,1) | register_chrdev(major,"hello",&hello |
可以看到，除了前面兩個函式，還加了一個register_chrdev 函式，可以發現這個函式的應用非常簡單，只要一句就可以搞定前面函式所做之事；
下面分析一下register_chrdev 函式，其原始碼定義如下：
-
static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
-
const struct file_operations *fops)
-
{
-
return __register_chrdev(major,
0,
256, name, fops);
-
}
-
int __register_chrdev(
unsigned
int major,
unsigned
int baseminor,
-
unsigned
int count,
const
char *name,
-
const struct file_operations *fops)
-
{
-
struct char_device_struct *cd;
-
struct cdev *cdev;
-
int err = -ENOMEM;
-
-
cd = __register_chrdev_region(major, baseminor, count, 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);
-
-
err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, baseminor), count);
-
if (err)
-
goto out;
-
-
cd->cdev = cdev;
-
-
return major ?
0 : cd->major;
-
out:
-
kobject_put(&cdev->kobj);
-
out2:
-
kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, baseminor, count));
-
return err;
-
}
3、登出裝置號：
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)；
4、建立裝置檔案：
利用cat /proc/devices檢視申請到的裝置名，裝置號。
1）使用mknod手工建立：mknod filename type major minor
2）自動建立裝置節點:
利用udev（mdev）來實現裝置檔案的自動建立，首先應保證支援udev（mdev），由busybox配置。在驅動初始化程式碼裡呼叫class_create為該裝置建立一個class，再為每個裝置呼叫device_create建立對應的裝置。
詳細解析見：Linux 字元裝置驅動開發 （二）—— 自動建立裝置節點
下面看一個例項,練習一下上面的操作：
hello.c
-
#include <linux/module.h>
-
#include <linux/fs.h>
-
#include <linux/cdev.h>
-
static
int major =
250;
-
static
int minor =
0;
-
static
dev_t devno;
-
static
struct cdev cdev;
-
static int hello_open (struct inode *inode, struct file *filep)
-
{
-
printk(
"hello_open \n");
-
return
0;
-
}
-
static
struct file_operations hello_ops=
-
{
-
.open = hello_open,
-
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