《Linux Device Drivers》第三章 字符设备驱动程序——note

• 主设备号和次设备号
  • 那些名称被称为特殊文件、设备文件，或者简单称之为文件系统树的节点，它们通常位于/dev目录
  • 通常而言，主设备号标识设备对应的驱动程序
  • 一个主设备号对应一个驱动程序
  • 设备编号的内部表达
    • dev_t(<linux/types.h>)
    • dev_t是一个32位的数，12位表示主设备号，其余20位表示次设备号
    • <linux/kdev_t.h>
      • MAJOR(dev_t dev);
      • MINOR(dev_t dev);
      • MKDEV(int major, int minor);
  • 分配和释放设备编号
    • <linux/fs.h>
      • int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);
      • int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);
      • void u nregister_chrdev_resion(dev_t first, unsigned int count);
  • 动态分配主设备号
    • 驱动程序应该始终使用alloc_chrdev_region而不是register_chrdev_region函数
    • 缺点是：由于分配的主设备号不能保证始终一致，所以无法预先创建设备节点
    • /proc/devices
    • 分配主设备号的最佳方式
      • 默认采用动态分配，同时保留在加载甚至是编译时指定主设备号的余地

• 一些重要的数据结构
  • 三个重要的内核数据结构
    • file_operations
    • file
    • inode
  • 文件操作
    • file_operations结构用来将驱动程序操作连接到设备编号
    • <linux/fs.h>
    • file_operations结构或者指向这类结构的指针称为fops
      • 每个字段必须指向驱动程序中实现特定操作的函数
    • struct module *owner
    • loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    • ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    • ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t);
    • ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    • ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    • int (*readdir) (struct file *, ,void *, filldir_t);
    • unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
    • int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
    • int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
    • int (*open) (struct inode *, struct file *);
    • int (*flush) (struct file *);
    • int (*release) (struct inode *, struct file *);
    • int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int);
    • int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int);
    • int (*fasync) (int, struct file *, int);
    • int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    • ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
    • ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
    • ssize_t (*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *);
    • ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
    • unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
    • int (*check_flags) (int)
    • int (*dir_notify) (struct file *, unsigned long);
  • file结构
    • file结构代表一个打开的文件
    • <linux/fs.h>
    • 与用户空间程序中的FILE没有任何关联
    • 指向struct file的指针通常被称为file或filp
    • 字段
      • mode_t f_mode
      • loff_t f_pos
      • unsigned int f_flags
      • struct file_operations *f_op
      • void *private_data
      • struct dentry *f_dentry
  • inode结构
    • 内核用inode结构在内部表示文件
    • 对单个文件，可能会有许多个表示打开的文件描述符的file结构
    • 字段
      • dev_t i_rdev
      • struct cdev *i_cdev
• 字符设备的注册
  • <linux/cdev.h>
  • 获取一个独立的cdev结构
    • struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();
    • my_cdev->ops = &my_fops;
    • owner
  • struct cdev *cdev_alloc(void);
  • void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops);
  • int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count);
  • void cdev_del(struct cdev *dev);
• open和release
  • open方法
    • 主要工作
      • 检查设备特定的错误
      • 如果设备是首次打开，则对其进行初始化
      • 如有必要，更新f_op指针
      • 分配并填写置于flip->private_data里的数据结构
    • int (*open)(struct inode *inode, struct file *filp);
    • <linux/kernel.h>
      • container_of(pointer, continer_type, container_field);
  • release方法
    • 主要工作
      • 释放由open分配的、保存在filp->private_data中的所有内容
      • 在最后一次关闭操作时关闭设备
• scull的内存使用
  • <linux/slab.h>
    • void *kmalloc(size_t size, int flags);
    • void kfree(void *ptr);
    • 不应该将非kmalloc返回的指针传递给kfree
    • 将NULL指针传递给kfree是合法的
• read和write
  • ssize_t read(struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);
  • ssize_t write(struct file *filp, const char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);
  • 内核代码不能直接引用用户空间的指针
    • 随着驱动程序所运行的架构的不同或者内核配置的不同，在内核模式中运行时，用户空间的指针可能是无效的
    • 即使该指针在内核空间中代表相同的东西，但用户空间的内存是分页的，而在系统调用被调用时，涉及到的内存可能根本不在RAM中
    • 用户空间的指针由用户程序提供，该程序可能存在缺陷或者是个恶意程序
  • 访问用户空间的缓冲区应始终通过内核提供的专用函数完成
    • <asm/uaccess.h>
    • unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void * from, unsigned long count)
    • unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count);
  • 访问用户空间的任何函数都必须是可重入的，必须能和其他驱动程序函数并发执行，必须处于能够合法休眠的状态
  • read方法
    • 如果返回值等于传递read系统调用的count参数，则说明所请求的字节数传输成功完成了
    • 如果返回值是正的，但比count小，说明部分数据传输成功
    • 如果返回值为，则表示已经到达了文件尾
    • 负值意味着发生了错误，该值指明了发生了什么错误，错误码在<linux/error.h>中定义
    • 现在还没有数据，但以后可能会有
  • write方法
  • readv和writev
    • ssize_t (*readv) (struct file * filp, const struct iovec *iov, unsigned long count, loff_t *ppos);
    • ssize_t (*writev) (struct file *filp, const struct iovec *iov, unsigned long count, loff_t *ppos);
    • iovec结构
      • void __user *iov_base;
      • __kernel_size_t iov_len