char device driver总结

本文详细介绍了在Linux内核中注册字符设备驱动的四个步骤:注册设备号、初始化cdev并添加到系统、创建设备节点。内容涵盖register_chrdev_region、alloc_chrdev_region、cdev_init、cdev_add、class_create、device_create等关键函数的使用,并提供了简单的示例。

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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:

  

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

       

/**
 * register_chrdev_region() - register a range of device numbers
 * @from: the first in the desired range of device numbers; must include
 *        the major number.
 * @count: the number of consecutive device numbers required
 * @name: the name of the device or driver.
 *
 * Return value is zero on success, a negative error code on failure.
 */
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;
 /**
    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。
    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。
    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
    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
    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
*/
       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);
}


/*
 * Register a single major with a specified minor range.
 *
 * If major == 0 this functions will dynamically allocate a major and return
 * its number.
 *
 * If major > 0 this function will attempt to reserve the passed range of
 * minors and will return zero on success.
 *
 * Returns a -ve errno on failure.
 */
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);
}

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.youkuaiyun.com/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:
    

   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;
        {
            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;
        }
   
        void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
        {  
            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
            INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);
            kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);
            cdev->ops = fops;
        }


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:      

     

 1:class结构:
            include/linux/device.h
            struct class
            {
                const   char        *name;
                struct module       *owner;
                struct kset         subsys;
                struct list_head    devices;
                struct list_head    interfaces;
                struct kset         class_dirs;
                struct semaphore sem;       /* locks    children, devices, interfaces */
                struct class_attribute  *class_attrs;
                struct device_attribute *dev_attrs;
   
                int    (*dev_uevent)   (struct device *dev,struct kobj_uevent_env *env);
                void   (*class_release)(struct class *class);
                void   (*dev_release)  (struct device   *dev);
                int    (*suspend)      (struct  device *dev, pm_message_t state);
                int    (*resume)       (struct device *dev);
            };
        2:class_create()
            class_create()在/drivers/base/class.c中实现:
            struct class    *class_create(struct module *owner, //  指定类的所有者是哪个模块
                                          const char *name)     //  指定类名
            {
                struct class *cls;
                int retval;
                cls =   kzalloc(sizeof(*cls), GFP_KERNEL);
                if (!cls)
                {
                    retval =    -ENOMEM;
                    goto    error;
                }
       
                cls->name   = name;
                cls->owner = owner;
                cls->class_release = class_create_release;
       
                retval = class_register(cls);
                if (retval)
                   goto error;
                return cls;
                error:
                    kfree(cls);
                    return ERR_PTR(retval);
            }
           
        3:device_create()函数在/drivers/base/core.c中实现:
            struct device *device_create(struct class *class,   //指定所要创建的设备所从属的类
                                        struct devicev *parent, //这个设备的父设备,如果没有就指定为NULL
                                        dev_t devt,             //设备号
                                        const char *fmt,        //设备名称
                                        ...)                    //从设备号
            {
                va_list vargs;
                struct  device *dev;
                va_start(vargs, fmt);
                dev = device_create_vargs(class, parent, devt,  NULL, fmt, vargs);
                va_end(vargs);
                return  dev;

            }



/***************************************************************************************************
                                   第步:例子
***************************************************************************************************/

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>

int hello_major = 555;
int hello_minor = 0;
int number_of_devices = 1;
struct cdev cdev;
dev_t dev = 0;
struct file_operations hello_fops = { .owner = THIS_MODULE };
static void char_reg_setup_cdev(void) {
	int error, devno = MKDEV(hello_major, hello_minor);
	cdev_init(&cdev, &hello_fops);
	cdev.owner = THIS_MODULE;
	cdev.ops = &hello_fops;
	error = cdev_add(&cdev, devno, 1);
	if (error)
	printk (KERN_NOTICE "Error %d adding char_reg_setup_cdev", error);
}
struct class *my_class;
static int __init hello_2_init (void)
{
	int result;
	struct device *dev;
	dev = MKDEV (hello_major, hello_minor);
	result = register_chrdev_region (dev, number_of_devices, "hello");
	if (result<0) {
		printk (KERN_WARNING "hello: can't get major number %d/n", hello_major);
		return result;
	}
	char_reg_setup_cdev ();
	/* create your own class under /sysfs */
	my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_class");
	if(IS_ERR(my_class))
	{
		printk("Err: failed in creating class./n");
		return -1;
	}
	/* register your own device in sysfs, and this will cause udev to create corresponding device node */
	dev=device_create( my_class, NULL, MKDEV(hello_major, 0), "hello" "%d", 0 );
	if(dev==NULL)
		printk("<5>create device error!!!!\n");
	printk (KERN_INFO "Registered character driver/n");
	return 0;
}
static void __exit hello_2_exit (void)
{
	dev_t devno = MKDEV (hello_major, hello_minor);
	cdev_del (&cdev);
	device_destroy(my_class, MKDEV(hello_major, 0)); //delete device node under /dev
	class_destroy(my_class); //delete class created by us
	unregister_chrdev_region (devno, number_of_devices);
	printk (KERN_INFO "char driver cleaned up/n");
}
module_init( hello_2_init);
module_exit( hello_2_exit);
MODULE_LICENSE ("GPL");


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