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本帖最后由 zhiqiang0071 于 2010-07-26 09:17 編輯
本文屬本人原創(chuàng)，歡迎轉(zhuǎn)載，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。由于個(gè)人的見(jiàn)識(shí)和能力有限，不可能面面俱到，也可能存在謬誤，敬請(qǐng)網(wǎng)友指出，本人的郵箱是yzq.seen＠gmail.com，博客是http://zhiqiang0071.cublog.cn。
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(wú)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(guò)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(lái)說(shuō)，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");
- int __init testchar_init(void)
- {
- }
- module_init(testchar_init);
- 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);
這有個(gè)初始化函數(shù)，在模塊加載過(guò)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);
- }。
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(lái)加載驅(qū)動(dòng)程序。實(shí)際上，沒(méi)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(lái)做映射連通的，后面會(huì)慢慢說(shuō)明。先來(lái)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(lái)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(shuō)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) */
- };
- 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 */
- 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;
- }。
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(méi)有使用 */
- struct cdev *cdev; /* will die */ /*目前沒(méi)有使用*/
- } *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE]; /* CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE = 255 */
- 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(lái) */
- /* 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(shuō)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(kāi)鎖，隊(duì)列里的下一個(gè)人可以進(jìn)來(lái)了 */
- return cd;
- out:
- mutex_unlock(&chrdevs_lock);
- kfree(cd);
- return ERR_PTR(ret);
- }
- 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;
- };
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 */
- }。
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,
- };
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(shuō)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(lái)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,
- 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;
- }
順帶說(shuō)下register_chrdev()函數(shù)，其也是注冊(cè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)，只不過(guò)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;
- }
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發(fā)表于 2010-07-19 18:26
