x4412&ibox项目实战27－Linux字符设备驱动设备结构

armeasy

内核中每个字符设备都对应一个cdev结构的变量，在kernel/include/linux/cdev.h中有它的定义及操作cdev结构体的一些函数：

1. struct cdev {
   
2.          struct kobject kobj; // 每个 cdev 都是一个 kobject
   
3.          struct module *owner; // 指向实现驱动的模块
   
4.          const struct file_operations *ops; // 操纵这个字符设备文件的方法
   
5.          struct list_head list; // 与 cdev 对应的字符设备文件的 inode->i_devices 的链表头
   
6.          dev_t dev; // 起始设备编号
   
7.          unsigned int count;  // 设备范围号大小
   
8. };
   
9. void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);
   
10. struct cdev *cdev_alloc(void);
    
11. void cdev_put(struct cdev *p);
    
12. int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
    
13. void cdev_del(struct cdev *);

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cdev结构体的结构成员dev_t定义了一个32位的设备号，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号。尽管在很多情况下我们无需关心设备号，但是每一个设备文件的设备号都是真实存在的。使用以下宏可以获得主次设备号：

1. MAJOR(dev_ t dev)
   
2. MINOR(dev_ t dev)

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使用以下宏可以通过主次设备号生成dev_t：

1. MKDEV(int major, int minor)

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从cdev.h中的程序清单可以看出，有五个函数用于操作cdev。cdev_init()和*cdev_alloc函数分别用于静态和动态初始化cdev，使用cdev_init()函数静态初始化的示例如下：

1. struct cdev my_cdev;
   
2. cdev_init(&my_cdev, &fops);
   
3. my_cdev.owner = THIS_MODULE;
   
4. 使用*cdev_alloc()函数动态初始化的示例如下：
   
5. struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();
   
6. my_cdev->ops = &fops;
   
7. my_cdev->owner = THIS_MODULE;

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可见，这二者的区别在于，使用动态初始化时需要手动指定cdev->ops，这是由二者的函数原型决定的。在kernel/fs/char_dev.c中可以看到其函数源码如下：

1. struct cdev *cdev_alloc(void)
   
2. {
   
3.          struct cdev *p = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);
   
4.          if (p) {
   
5.                    INIT_LIST_HEAD(&p->list);
   
6.                    kobject_init(&p->kobj, &ktype_cdev_dynamic);
   
7.          }
   
8.          return p;
   
9. }
   
10. void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
    
11. {
    
12.          memset(cdev, 0, sizeof *cdev);
    
13.          INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);
    
14.          kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);
    
15.          cdev->ops = fops;
    
16. }

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很明显，cdev_init函数相对*cdev_alloc函数，多赋了cdev->ops。这就是动态初始化cdev需要手动指定cdev->ops的真正原因。

cdev_add()函数和cdev_del()函数分别向系统添加和删除一个cdev，完成字符设备的注册和注销。对 cdev_add()的调用通常发生在字符设备驱动模块加载函数中，而对cdev_del()函数的调用则通常发生在字符设备驱动模块卸载函数中。

在调用cdev_add()函数向系统注册字符设备之前，应首先调用register_chrdev_region()或alloc_chrdev_region()函数向系统申请设备号，register_chrdev_region()函数用于已知起始设备的设备号的情况；而alloc_chrdev_region()用于设备号未知，向系统动态申请未被占用的设备号的情况。函数调用成功之后，会把得到的设备号放入第一个参数dev中。alloc_chrdev_region()与register_chrdev_region()对比的优点在于它会自动避开设备号重复的冲突。相反地，在调用cdev_del()函数从系统注销字符设备之 后，unregister_chrdev_region()应该被调用以释放原先申请的设备号。

当设备驱动程序成功调用了cdev_add之后，就意味着一个字符设备对象已经加入到了系统，在需要的时候，系统就可以找到它。对用户态的程序而言，cdev_add调用之后，就已经可以通过文件系统的接口呼叫到我们的驱动程序了。典型的文件系统接口如open()，close()，read()，write()等，他们真正操作的是在驱动程序中封装的file_operations结构体。

在linux/fs.h中可以看到file_operations结构体的原型：

1. struct file_operations {
   
2.          struct module *owner;
   
3.          loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
   
4.          ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
   
5.          ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
   
6.          ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
   
7.          ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
   
8.          int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
   
9.          unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
   
10.          long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    
11.          long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    
12.          int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
    
13.          int (*open) (struct inode *, struct file *);
    
14.          int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
    
15.          int (*release) (struct inode *, struct file *);
    
16.          int (*fsync) (struct file *, int datasync);
    
17.          int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
    
18.          int (*fasync) (int, struct file *, int);
    
19.          int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    
20.          ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
    
21.          unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
    
22.          int (*check_flags)(int);
    
23.          int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
    
24.          ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
    
25.          ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
    
26.          int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
    
27.          long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
    
28.                               loff_t len);
    
29. };

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下面对file_operations结构体中的主要成员进行讲解。

*owner指向拥有该结构的模块的指针，避免正在操作时被卸载，一般为初始化为THIS_MODULES。

*llseek函数指针用来修改文件当前的读写位置，返回新位置。在出错时，返回一个负值。

*read函数指针用来从设备中同步读取数据。读取成功返回读取的字节数，失败则返回一个负值。

*write函数指针用来向设备发送数据。成功时该函数返回写入的字节数。如果此函数未被实现，当用户进行write()系统调用时，将得到-EINVAL返回值。

*aio_read函数指针初始化一个异步的读取操作，为NULL时全部通过read处理。

*aio_write函数指针用来初始化一个异步的写入操作。

*readdir函数指针仅用于读取目录，对于设备文件，该字段为 NULL。

*poll函数指针返回一个位掩码，用来指出非阻塞的读取或写入是否可能。把pool设置为NULL，设备会被认为即可读也可写。

*unlocked_ioctl函数指针提供一种执行设备特殊命令的方法。不设置入口点时返回-ENOTTY。注意，自linux3.0以后，ioctl函数将不复存在，使用unlocked_ioctl函数替代不失为一个比较好的方法。

*mmap指针函数用于请求将设备内存映射到进程地址空间。如果没有声明，将访问-ENODEV。

*open指针函数用于打开设备。如果为空，设备的打开操作永远成功，但系统不会通知驱动程序。

*flush指针函数用于在进程关闭设备文件描述符副本时，执行并等待，若设置为NULL，内核将忽略用户应用程序的请求。

*release函数指针在file结构释放时将被调用。

*fsync函数指针用于刷新待处理的数据，如果驱动程序没有实现，fsync调用将返回-EINVAL。

*aio_fsync函数对应异步fsync。

*fasync函数指针用于通知设备FASYNC标志发生变化，如果设备不支持异步通知，该字段可以为NULL。

*lock用于实现文件锁，设备驱动通常不去实现此lock

*sendpage实现sendfile调用的另一部分，内核调用将其数据发送到对应文件，每次一个数据页，设备驱动通常将其设置为NULL。

*get_unmapped_area在进程地址空间找到一个合适的位置，以便将底层设备中的内存段映射到该位置。大部分驱动可将其设置为NULL。

*check_flags允许模块检查传递给fcntl（F_SETEL…）调用的标志。

模块的加载和卸载函数以及file_operations结构体中的成员函数构成了字符设备驱动的主体，驱动需要实现的各种功能都会封装在file_operations结构体的成员函数中，后面我们将通过实例讲述。