字符设备驱动内部实现

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在之前的字符设备驱动实验中，使用了 register_chrdev 来注册设备驱动，但是这个接口自动会为主设备占用掉 256 个次设备的资源，而使用其他接口手动注册的方式则可以节省这些资源。

1. 字符设备驱动内部实现框图

所有的 Linux 文件都有一个自己的 inode 号，通过 ls -i 可以查看

驱动设备文件也不例外，这个 inode 号对应内核内存中的 inode 结构体：linux/fs.h 中的 inode 结构体源码

inode 结构体中有一个 dev_t i_rdev 的属性，这个属性是一个指针，执行驱动的结构体，例如字符设备驱动 cdev 结构体：linux/cdev.h 的源码

而 cdev 结构体拥有 file_operations 的属性，它保存了驱动的读写等回调方法

详细分析见第 5，第 6 小节。

2. 字符设备驱动分步注册步骤

为字符设备驱动对象申请空间

初始化字符设备驱动对象

注册字符设备驱动对象

注销字符设备驱动对象

3. 相关 API

相关的 API 接口都在 #include <linux/cdev.h> 中

3.1 驱动对象结构体

linux/include/linux/cdev.h at master · torvalds/linux

Linux kernel source tree. Contribute to torvalds/linux development by creating an account on GitHub.

https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/cdev.h#L14


struct cdev {
    struct kobject kobj;
    struct module *owner;// 模块对象指针  THIS_MODULE
    const struct file_operations *ops;// 操作方法结构体指针
    struct list_head list;// 用于构成链表的成员
    dev_t dev;// 设备号
    unsigned int count;// 设备资源数量
}

3.2 字符设备驱动对象申请空间


struct cdev cdev; // 栈区
struct cdev *cdev_alloc(void); // 堆区

功能：手动申请字符设备驱动对象空间

参数：无

返回值：成功返回申请到的对象空间首地址，失败返回 NULL

3.3 初始化设备驱动对象


void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)

功能：实现字符设备驱动对象的部分初始化

参数：

cdev：字符设备驱动对象指针

fops：操作方法结构体指针

3.4 申请设备资源和设备号


int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)

功能：用于静态指定设备号

参数：

from：申请的第一个设备资源的设备号

count：申请的设备资源的数量

name：驱动的名字

返回值：成功返回 0，失败返回错误码 MINOR(dev)

👉

[56692.673353] CHRDEV "myled" major requested (800) is greater than the maximum (511) 在我的 Ubuntu 23.04 以及开发板上，最大可指定主设备号是 511。


int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,
            const char *name)

功能：用于动态申请设备号

参数：

dev：存放设备号的变量首地址

baseminor：申请的设备资源的数量

count：申请的设备资源的数量

name：驱动的名字

返回值：成功返回 0，失败返回错误码

3.5 注册字符设备驱动对象


int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

功能：用于注册字符设备的驱动对象

参数：

p：字符设备驱动对象指针

dev：设备号

count：设备数量

返回值：成功返回 0，失败返回错误码

3.6 注销字符设备驱动对象


void cdev_del(struct cdev *p)

功能：注销字符设备驱动对象

参数：

p：字符设备驱动对象指针

3.7 释放设备号


void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

功能：用户释放设备号

参数：

from：释放的设备号

count：申请的设备数量

4. 字符设备驱动分步注册实例

Cyang39/repo

My Snippets Repo

https://gitee.com/snes/repo/tree/driver/driver/day04/mychrdev

下面的代码精简了 prink 的输出，注意步骤顺序，以及错误时退出的方法：


static int __init mycdev_init(void)
{
	int ret, i;
	// ---------- 1.分配字符设备驱动对象空间 cdev_alloc --------------------
	cdev = cdev_alloc();
	if (cdev == NULL) {
		return -EFAULT;
		goto out1;
	}
	// ---------- 2.字符设备驱动对象部分初始化 cdev_init --------------------
	cdev_init(cdev, &fops);
	// ---------- 3.申请设备号  register_chrdev_region/alloc_chrdev_region ---------- 
	if (major > 0) { // 静态指定设备号
		ret = register_chrdev_region(MKDEV(major, minor), 3, "myled");
		if (ret) {
			goto out2;
		}
	} else { // 动态申请设备号
		ret = alloc_chrdev_region(&devno, minor, 3, "myled");
		if (ret) goto out2;
		major = MAJOR(devno); // 根据设备号获取主设备号
		minor = MINOR(devno); // 根据设备号获取次设备号
	}
	// ---------- 4.注册字符设备驱动对象  cdev_add() --------------------
	ret = cdev_add(cdev, MKDEV(major, minor), 1);
	if (ret) goto out3;
	// ---------- 5.向上提交目录 --------------------
	cls = class_create(THIS_MODULE, "myled");
	if (IS_ERR(cls)) {
		ret = -PTR_ERR(cls);
		goto out4;
	}
	// ---------- 6.向上提交设备节点 --------------------
	for (i = 0; i < 3; i++) {
		dev = device_create(cls, NULL, MKDEV(major, minor + i), NULL,
				    "myled%d", i);
		if (IS_ERR(dev)) {
			ret = -PTR_ERR(dev);
			goto out5;
		}
	}
	// init_all_led()
	return 0;
out5:
	for (--i; i >= 0; i--) { // 从失败的位置开始回退
		device_destroy(cls, MKDEV(major, minor + i));
	}
	class_destroy(cls);
out4:
	cdev_del(cdev);
out3:
	unregister_chrdev_region(MKDEV(major, minor), 3);
out2:
	kfree(cdev);
out1:
	return ret;
}

相对应的注销函数：


static void __exit mycdev_exit(void)
{
	//1.销毁设备信息  device_destroy
	int i;
	for (i = 0; i < 3; i++)
		device_destroy(cls, MKDEV(major, minor + i));
	//2.销毁目录  class_destroy
	class_destroy(cls);
	//3.注销对象  cdev_del()
	cdev_del(cdev);
	//4.释放设备号   unregister_chrdev_region()
	unregister_chrdev_region(MKDEV(major, minor), 3);
	//5.释放对象空间  kfree()
	kfree(cdev);
}

5. inode 结构体的作用

只要文件存在于文件系统中，在内核中就会有一个对应的 struct inode 结构体空间，这里保存了当前文件的相关信息。另外通过 inode 结构体实现上下级的关联。


struct inode { 
	umode_t			i_mode;  //文件的类型和其他的mode 
	kuid_t			i_uid;//用户id 
	kgid_t			i_gid;//用户组id 
 unsigned int		i_flags;//文件相关的标志 
 const struct inode_operations *i_op;//文件操作方法结构体指针 
	dev_t			i_rdev; //设备号 
 union { 
		struct block_device *i_bdev;//块设备指针 
		struct cdev		*i_cdev; //字符设备对象指针 
		}; 
};

6. file 结构体的作用

open 函数第一个参数是设备文件路径，通过文件路径找到 inode 结构体，进而回调到驱动中 open 操作方法。但是 read()/write*()/ioctl() 这些函数的参数不是文件的路径，那么 VFS 如何通过文件描述符回调到这些函数对应的驱动中的操作方法的呢？（文件描述符）

6.1 文件描述符是什么

当打开一个文件，那么在当前进程中就会有一个文件描述符和当前文件关联，文件描述符是一个非负整数，一个进程中文件描述符最多有 1024 个。每一个进程都有自己独立的一套文件描述符，文件描述符是依赖于进程存在。想要探究文件描述符到底有什么意义，就要知道它在进程中的位置。一个进程运行在操作系统上，在内核一定会存在一个 struct task_struct 结构体空间，这个空间中存放的就是进程相关的信息。


struct task_struct {
    volatile long          state;//进程状态
    void               *stack;//栈区首地址
    int                on_cpu;//在哪个cpu上执行
    struct list_head       tasks;//构造链表
    pid_t              pid;  //当前进程进程号
        struct task_struct __rcu    *parent;//父进程描述结构体
        struct files_struct        *files;//进程内打开的文件相关信息存放空间的指针
    };
    
    struct files_struct {
            struct file __rcu * fd_array[NR_OPEN_DEFAULT];
        }；
//进程内部有一个成员files，这个成员是和进程打开的文件相关的结构体，
//在这个结构体中存在一个struct file*类型的数组fd_array。
//我们open函数返回的文件描述符就是这个数组的下标

6.2 file 结构体

当在一个进程中打开一个文件时，内核就会产生一个 struct file 类型的空间，这个空间中存放的就是打开的文件相关的信息，包括打开的模式，打开的文件的基本属性等信息，open 函数在打开文件时 VFS 虚拟文件系统层会在 fd_array 数组中申请一个空间，将当前文件的 struct file 结构体指针存放到数组中的指定位置，并且把这个位置的额下标以函数返回值的形式返回，这个返回值就是文件描述符。


struct file {
    struct path        f_path;//当前文件的路径
    struct inode        *f_inode;//当前文件的inode结构体指针  
    const struct file_operations    *f_op;//操作方法结构体指针
    unsigned int       f_flags;//打开文件时填写的各种标志
    void           *private_data;//打开的文件对应的file结构体内部的私有数据，
}                                //可用于操作方法之间传参