linux字符cdev和Inode的关系

本文所说的Inode是struct inode结构体，并不是在inode块中的inode结点。

 

Char Device Driver

　　相关数据结构：

struct cdev {

　　struct kobject kobj;

　　struct module *owner;

　　const struct file_operations *ops;

　　struct list_head list;

　　dev_t dev;

　　unsigned int count;

};

 

1>kobj是一个嵌入在该结构中的内核对象。它用于该数据结构的一般管理。

2>owner指向提供驱动程序的模块

3>ops是一组文件操作，实现了与硬件通信的具体操作。

4>dev指定了设备号

5>count表示与该设备关联的从设备的数目

6>list用来实现一个链表，其中包含所有表示该设备的设备特殊文件的inode.

struct kobj_map {

　　struct probe {

    　　struct probe *next;

　    　dev_t dev;

　　    unsigned long range;

　　    struct module *owner;

　    　kobj_probe_t *get;

　　    int (*lock)(dev_t, void *);

　　    void *data;

　　} *probes[255];

　　struct mutex *lock;

};

 

static struct char_device_struct {

　　struct char_device_struct *next;

　　unsigned int major;

　　unsigned int baseminor;

　　int minorct;

　　char name[64];

　　struct file_operations *fops;

　　struct cdev *cdev;                /* will die */

} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

 

#define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE        255

 

下面本文通过一下三个方面以及他们的关联来描述字符设备驱动:

1. 字符驱动模型

2. 字符设备的设备号

3. 文件系统中对字符设备文件的访问

 

字符驱动模型

　　每个字符驱动由一个 cdev 结构来表示.

　　在设备驱动模型(device driver model)中, 使用 (kobject mapping domain) 来记录字符设备驱动.这是由 struct kobj_map 结构来表示的. 它内嵌了255个struct probe指针数组，kobj_map由全局变量cdev_map引用:

static struct kobj_map *cdev_map;

 相关函数说明:

　　cdev_alloc() 用来创建一个cdev的对象

　　cdev_add() 用来将cdev对象添加到驱动模型中,其主要是通过kobj_map()来实现的.

　　kobj_map() 会创建一个probe对象,然后将其插入cdev_map中的某一项中（这里的某一项是如何确定的，是否是按照设备的主设备号呢？）,并关联probe->data 指向 cdev

　　struct kobject *kobj_lookup(struct kobj_map *domain, dev_t dev, int *index)，根据设备号,在cdev_map中查找其cdev对象内嵌的kobject. (probe->data->kobj),返回的是cdev的kobject（此函数是在打开设备文件是调用到的，在注册字符设备时不用）

 

字符设备的设备号

　　字符设备的主,次设备号的分配:

　　全局数组 chrdevs 包含了255(CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 的值)个 struct char_device_struct的元素.

　　每一个对应一个相应的主设备号.

　　如果分配了一个设备号,就会创建一个 struct char_device_struct 的对象,并将其添加到 chrdevs 中.

　　这样,通过chrdevs数组,我们就可以知道分配了哪些设备号.

  

相关函数:

　　register_chrdev_region( ) 分配指定的设备号范围

　　alloc_chrdev_region( ) 动态分配设备范围

　　他们都主要是通过调用函数__register_chrdev_region() 来实现的

　　要注意,这两个函数仅仅是注册设备号! 如果要和cdev关联起来,还要调用cdev_add()

　　register_chrdev( ) 申请指定的设备号,并且将其注册到字符设备驱动模型中.

　　它所做的事情为:

　　1. 注册设备号, 通过调用 __register_chrdev_region() 来实现

　　2. 分配一个cdev, 通过调用 cdev_alloc()或 cdev_init(&my_cdev, &fops);来实现

一个 cdev 一般它有两种定义初始化方式：静态的和动态的

1>静态内存定义初始化：

struct cdev my_cdev;

cdev_init(&my_cdev, &fops);

my_cdev.owner = THIS_MODULE;

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;

两种使用方式的功能是一样的，只是使用的内存区不一样，一般视实际的数据结构需求而定。

下面是具体实现

1>struct cdve * cdev_alloc(void)

 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;

}

2>void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)函数

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;

}

两个函数完成都功能基本一致，只是 cdev_init() 还多赋了一个 cdev->ops 的值。

cdev_init的参数fops包含了一些函数指针，指向处理与设备实际通信的函数

　　3. 将cdev添加到驱动模型中, 这一步将设备号和驱动关联了起来. 通过调用 cdev_add() 来实现

　　4. 将第一步中创建的 struct char_device_struct 对象的 cdev 指向第二步中分配的cdev. 由于register_chrdev()是老的接口,这一步在新的接口中并不需要.

 

文件系统中对字符设备文件的访问

对于一个字符设备文件, 其inode->i_cdev 指向字符驱动对象cdev, 如果i_cdev为 NULL ,则说明该设备文件没有被打开.

由于多个设备可以共用同一个驱动程序.所以,通过字符设备的inode 中的i_devices 和 cdev中的list组成一个链表

 

 首先,系统调用open打开一个字符设备的时候, 通过一系列调用,最终会执行到 chrdev_open.

　　(最终是通过调用到def_chr_fops中的.open, 而def_chr_fops.open = chrdev_open. 这一系列的调用过程,本文暂不讨论)

　　int chrdev_open(struct inode * inode, struct file * filp)

　　chrdev_open()所做的事情可以概括如下:

　　1. 根据设备号(inode->i_rdev), 在字符设备驱动模型中查找对应的驱动程序, 这通过kobj_lookup() 来实现, kobj_lookup()会返回对应驱动程序cdev的kobject.

　　2. 设置inode->i_cdev , 指向找到的cdev.

　　3. 将inode添加到cdev->list的链表中.

　　4. 使用cdev的ops 设置file对象的f_op

　　5. 如果ops中定义了open方法,则调用该open方法

　　6. 返回.

　　执行完 chrdev_open()之后,file对象的f_op指向cdev的ops,因而之后对设备进行的read, write等操作,就会执行cdev的相应操作.