字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型淺析
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在linux系統(tǒng)中,很多驅(qū)動(dòng)是字符型驅(qū)動(dòng),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(dòng)態(tài)加載的。其實(shí)字符驅(qū)動(dòng)只是個(gè)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(dòng)能會(huì)調(diào)用其他驅(qū)動(dòng)模塊,如i2c、spi和v4l2等,于是字符驅(qū)動(dòng)還可分WDT驅(qū)動(dòng)、RTC驅(qū)動(dòng)和MTD驅(qū)動(dòng)等。所以在分析其他驅(qū)動(dòng)模塊之前有必要好好分析下字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型。本篇文章要講的就是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型,也就是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)是怎么注冊(cè)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(dòng)的注冊(cè)和注銷
對(duì)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(dòng)的程序員來說,對(duì)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(&dev, 0, 1, “testchar”);
/* if it fails return error */
if (result < 0) {
printk("Error registering test character device\n");
return -ENODEV;
}
printk(KERN_INFO " test major#: %d, minor# %d\n", MAJOR(dev), MINOR(dev));
/* initialize cdev with file operations */
cdev_init(&cdev, & test _fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev.ops = &test_fops;
/* add cdev to the kernel */
result = cdev_add(&cdev, dev, 1);
if (result) {
unregister_chrdev_region(dev, 1);
printk("Error adding test char device: error no:%d\n", result);
return -EINVAL;
}
testchar _class = class_create(THIS_MODULE, "testchar");
if (!testchar _class) {
printk("Error creating test device class\n");
unregister_chrdev_region(dev, 1);
unregister_chrdev(MAJOR(dev), "testchar");
cdev_del(&cdev);
return -EINVAL;
}
class_device_create(testchar _class, NULL, dev, NULL, "testchar");
復(fù)制代碼通常這段程序會(huì)放在一個(gè)模塊初始化加載函數(shù)里,形式是這樣的,int __init testchar_init(void)
{
}
module_init(testchar_init);
復(fù)制代碼既然有注冊(cè)的函數(shù),那必然有注銷的函數(shù),這叫有進(jìn)必有出,有公必有母…,總而言之,這是大自然的神奇被人類所利用。廢話少說,形式是這樣的,void __exit testchar _cleanup(void)
{
/* remove major number allocated to this driver */
unregister_chrdev_region(dev, 1);
/* remove simple class device */
class_device_destroy(testchar_class, dev);
/* destroy simple class */
class_destroy(testchar class);
cdev_del(&cdev);
/* unregistering the driver from the kernel */
unregister_chrdev(MAJOR(dev), "testchar");
}
module_exit(testchar_cleanup);
復(fù)制代碼這些注冊(cè)字符驅(qū)動(dòng)的例程調(diào)用大都集中在文件fs/char_dev.c中。所以先來看看這個(gè)文件中都有些啥,這叫直搗黃龍。
這有個(gè)初始化函數(shù),在模塊加載過程中會(huì)被調(diào)用到(動(dòng)態(tài)insmod加載或在內(nèi)核中加載),如下,void __init chrdev_init(void)
{
cdev_map = kobj_map_init(base_probe, &chrdevs_lock);
}。
復(fù)制代碼kobj_map_init()函數(shù)傳進(jìn)去了兩個(gè)參數(shù),base_probe函數(shù)和chrdevs_lock互斥變量,返回一個(gè)struct kobj_map類型的指針。
base_probe調(diào)用了request_module()函數(shù),用于加載與字符驅(qū)動(dòng)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序,被加載的驅(qū)動(dòng)命名方式是char-major-主設(shè)備號(hào)-次設(shè)備號(hào)。request_module()函數(shù),你可以看看該函數(shù)上頭的英文注釋,它最終會(huì)調(diào)用應(yīng)用層空間的modprobe命令來加載驅(qū)動(dòng)程序。實(shí)際上,沒有使用該項(xiàng)功能。
chrdevs_lock是一個(gè)全局的互斥變量,用于整個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊的關(guān)鍵區(qū)域保護(hù),后面你會(huì)看到。
返回的是struct kobj_map類型指針,保存到cdev_map中,該結(jié)構(gòu)體干嗎用的呢,顧名思義,用來做映射連通的,后面會(huì)慢慢說明。先來看看該結(jié)構(gòu)體的定義,struct kobj_map {
struct probe {
struct probe *next; /* 被255整除后相同的設(shè)備號(hào)鏈成一個(gè)單向鏈表 */
dev_t dev; /* 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的設(shè)備號(hào),包含主設(shè)備號(hào)(高12位)和次設(shè)備號(hào)(低20位) */
unsigned long range; /* 次設(shè)備號(hào)范圍 */
struct module *owner; /* 表明模塊的歸屬,是THIS_MODULE */
kobj_probe_t *get; /* 這里可以保存?zhèn)鬟M(jìn)來的base_probe函數(shù)指針,可回調(diào) */
int (*lock)(dev_t, void *); /* 保存回調(diào)函數(shù),具體是啥,后續(xù)會(huì)說到 */
void *data;
} *probes[255]; /* 雖然大小只有255,但采用了鏈表的形式,可以支持到4096個(gè)主設(shè) */
struct mutex *lock; /* 保存全局互斥鎖,用于關(guān)鍵區(qū)域的保護(hù) */
};
復(fù)制代碼我們?cè)賮砜纯磌obj_map_init()函數(shù)里頭做了什么,該函數(shù)是這樣的,struct kobj_map *kobj_map_init(kobj_probe_t *base_probe, struct mutex *lock)
{
struct kobj_map *p = kmalloc(sizeof(struct kobj_map), GFP_KERNEL);
struct probe *base = kzalloc(sizeof(*base), GFP_KERNEL);
int i;
if ((p == NULL) || (base == NULL)) {
kfree(p);
kfree(base);
return NULL;
}
base->dev = 1;
base->range = ~0; /* 初始的范圍很大 */[!--empirenews.page--]
base->get = base_probe; /* 保存函數(shù)指針 */
for (i = 0; i < 255; i++)
p->probes[i] = base; /* 所有指針都指向同一個(gè)base */
p->lock = lock;
return p;
}。
復(fù)制代碼該函數(shù)只是分配了一個(gè)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(dòng)注冊(cè)流程一個(gè)個(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)體指針),static struct char_device_struct {
/*被255整除后相同的設(shè)備號(hào)鏈成一個(gè)單向鏈表*/
struct char_device_struct *next;
unsigned int major; /* 主設(shè)備號(hào) */
unsigned int baseminor; /* 次設(shè)備起始號(hào) */
int minorct; /* 次設(shè)備號(hào)范圍 */
char name[64]; /* 驅(qū)動(dòng)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(cè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng),保存已經(jīng)注冊(cè)字符驅(qū)動(dòng)的一些信息,如主次設(shè)備號(hào),次設(shè)備號(hào)的數(shù)量,驅(qū)動(dòng)的名字等,便于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)注冊(cè)時(shí)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(gè)函數(shù)有兩個(gè)作用,一是,如果主設(shè)備號(hào)為0,則分配一個(gè)最近的主設(shè)備號(hào),返回給調(diào)用者;二是,如果主設(shè)備號(hào)不為0,則占用好該主設(shè)備號(hào)對(duì)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(&chrdevs_lock); /* 這下看到了吧,加鎖,就允許你一個(gè)人進(jìn)來 */
/* temporary */
if (major == 0) { /* 如果主設(shè)備號(hào)為零,則找一個(gè)最近空閑的號(hào)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(hào)不為0,則占用好該主設(shè)備號(hào)對(duì)應(yīng)的位置 */
for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next)
if ((*cp)->major > major ||
((*cp)->major == major && (*cp)->baseminor >= baseminor))
break;
if (*cp && (*cp)->major == major &&
(*cp)->baseminor < baseminor + minorct) {
ret = -EBUSY;
goto out;
}
cd->next = *cp;
*cp = cd;
mutex_unlock(&chrdevs_lock); /* 開鎖,隊(duì)列里的下一個(gè)人可以進(jìn)來了 */
return cd;
out:
mutex_unlock(&chrdevs_lock);
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(shí)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(shí),會(huì)將其inode加到該鏈表中,方便判別是否空閑 */
dev_t dev; /* 設(shè)備號(hào) */
unsigned int count;
};
復(fù)制代碼cdev結(jié)構(gòu)體把字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)和文件系統(tǒng)相關(guān)聯(lián),后面解析字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)怎樣運(yùn)行的時(shí)候會(huì)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->list);
cdev->kobj.ktype = &ktype_cdev_default; /* 卸載驅(qū)動(dòng)時(shí)會(huì)用到,別急,后面詳講 */
kobject_init(&cdev->kobj);
cdev->ops = fops; /* 用戶寫的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)fops就保存在這了 */
}。
復(fù)制代碼你也看到了,該函數(shù)就是對(duì)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(dòng)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(gè)函數(shù)又調(diào)用了kobj_map()函數(shù),其作用就是分配一個(gè)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(gè)一畝三分田給該字符設(shè)備驅(qū)動(dòng),并做好標(biāo)記,放到主設(shè)備號(hào)對(duì)應(yīng)的地方,等主人下次來找的時(shí)候能找到(使用kobj_lookup()函數(shù),后面會(huì)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,
[!--empirenews.page--]
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 < n; i++, p++) {
p->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(hào)對(duì)應(yīng)的位置上去 */
for (i = 0, p -= n; i < n; i++, p++, index++) {
struct probe **s = &domain->probes[index % 255];
while (*s && (*s)->range < range)
s = &(*s)->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(gè)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(cè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng),只不過是封裝好的,包含了所有前面講的注冊(cè)步驟——分配一個(gè)設(shè)備號(hào),由一個(gè)主設(shè)備號(hào)和255個(gè)次設(shè)備號(hào)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(gè)有點(diǎn)不一樣,動(dòng)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(&cdev->kobj, "%s", name);
for (s = strchr(kobject_name(&cdev->kobj),'/'); 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(&cdev->kobj);
out2:
kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, 0, 256));
return err;
}