本篇基于ldd3中第三章，原書自帶的源碼隨著內(nèi)核版本更新已經(jīng)不能運(yùn)行，代碼需要進(jìn)行升級(jí)，文章參考代碼能在內(nèi)核版本4.17.2運(yùn)行。

1.?? 分配設(shè)備編號(hào)

建立一個(gè)字符驅(qū)動(dòng)時(shí),需要做的第一件事是獲取一個(gè)或多個(gè)設(shè)備編號(hào)來使用.此目的必要的函數(shù)是 register_chrdev_region.

注冊(cè)字符設(shè)備函數(shù)執(zhí)行后會(huì)出現(xiàn)在/proc/devices和sysfs中：

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

　　first是要分配的起始設(shè)備編號(hào). first 的次編號(hào)部分常常是 0, 但是沒有要求是那個(gè)效果. count 是請(qǐng)求的連續(xù)設(shè)備編號(hào)的總數(shù). 注意, 如果 count 太大,要求的范圍可能溢出到下一個(gè)次編號(hào); 但是只要要求的編號(hào)范圍可用, 一切都仍然會(huì)正確工作. name 是應(yīng)當(dāng)連接到這個(gè)編號(hào)范圍 的設(shè)備的名子; 它會(huì)出現(xiàn)在 /proc/devices 和 sysfs 中.

　　一些主設(shè)備編號(hào)是靜態(tài)分派給最普通的設(shè)備的. 一個(gè)這些設(shè)備的列表在內(nèi)核源碼樹的 Documentation/devices.txt 中.

　　對(duì)于新驅(qū)動(dòng),建議使用動(dòng)態(tài)分配來獲取你的主設(shè)備編號(hào), 而不是隨機(jī)選取一個(gè)當(dāng)前空閑的編號(hào).使用 alloc_chrdev_region, 不是 register_chrdev_region.

這個(gè)alloc_chrdev_region是動(dòng)態(tài)分配主設(shè)備號(hào)的，因?yàn)槟憧赡懿恢老到y(tǒng)中哪些主設(shè)備號(hào)可以給你的驅(qū)動(dòng)程序使用，動(dòng)態(tài)分配的一個(gè)缺點(diǎn)就是不能提前分配設(shè)備節(jié)點(diǎn)（注:通過MKNOD來創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)的）：

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

??????????? 兩個(gè)函數(shù)從名字上也可以區(qū)分，一個(gè)是注冊(cè)，表示我有了主設(shè)備號(hào)只是想內(nèi)核注冊(cè)，而alloc_則是分配，意味著讓內(nèi)核來幫著allocate一下。

??????????? 注冊(cè)對(duì)應(yīng)的是注銷，這個(gè)是驅(qū)動(dòng)程序卸載時(shí)候必須做的，從哪里來還那里去，對(duì)應(yīng)的函數(shù)是：

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

另外，獲取設(shè)備主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)，使用如下宏：

MAJOR(dev_t dev);

MINOR(dev_t dev);

將主、次設(shè)備號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)設(shè)備號(hào)，如下：

MKDEV(int major, int minor);

2.?? 基礎(chǔ)性的驅(qū)動(dòng)操作

基礎(chǔ)性的驅(qū)動(dòng)操作包括 3 個(gè)重要的內(nèi)核數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu), 稱為 file_operations, file, 和 inode.

2.1???? file_operation

　　傳統(tǒng)上, 一個(gè) file_operation 結(jié)構(gòu)或者其一個(gè)指針稱為 fops( 或者它的一些變體). 結(jié)構(gòu)中的每個(gè)成員 必須指向驅(qū)動(dòng)中的函數(shù), 這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)特別的操作

??????????? 其中定義的操作函數(shù)并不是需要全部實(shí)現(xiàn)，根據(jù)具體驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)針對(duì)的函數(shù)功能即可。字符設(shè)備主要有一下函數(shù)需要實(shí)現(xiàn)：

owner,llseek,read,write,ioctl,open,release.

2.2???? file

file結(jié)構(gòu)表示一個(gè)打開的文件。在內(nèi)核中指向file的指針經(jīng)常叫做filp，就是file pointer，以免是file搞混。

2.3???? inode

inode結(jié)構(gòu)由內(nèi)核在內(nèi)部用來表示文件，代表打開文件描述符的文件結(jié)構(gòu)是不同的。多個(gè)打開的描述符可能指向一個(gè)單個(gè)inode結(jié)構(gòu)。

相對(duì)于字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，我們先使用i_rdev和i_cdev。

dev_t i_rdev;//實(shí)際設(shè)備的節(jié)點(diǎn)

Struct cdev *i_cdev; //指向字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序指針

??????????? 現(xiàn)在可以通過宏如下，來獲取節(jié)點(diǎn)的主、次設(shè)備號(hào)：

unsigned int iminor(struct inode *inode);

unsigned int imajor(struct inode *inode);

3.?? 字符設(shè)備注冊(cè)

內(nèi)核中使用cdev結(jié)構(gòu)體來表示字符設(shè)備。可以通過cdev_alloc來分配。

然后使用cdev_init來初始化。

?????? 我們可以將cdev結(jié)構(gòu)體嵌入到我們自己的設(shè)備結(jié)構(gòu)體中，這也正是例子所使用的方法。

??????????? 最后告訴內(nèi)核添加進(jìn)去，如果不告訴內(nèi)核就是空有一身資源而無施展之處，通過函數(shù)cdev_add。一旦添加，那么內(nèi)核就可能來騷擾設(shè)備，所以要確保所有都準(zhǔn)備好的時(shí)候調(diào)用cdev_add函數(shù)。

??????????? 去除設(shè)備調(diào)用函數(shù)cdev_del.

4.?? 設(shè)備布局

設(shè)備由內(nèi)存來模擬，其設(shè)備中的布局如下圖。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下，scull_qset結(jié)構(gòu)體非常簡(jiǎn)單，其實(shí)現(xiàn)一個(gè)鏈表的同時(shí)，每個(gè)元素同時(shí)指向塊內(nèi)存：

struct scull_qset {

??????? void **data;

??????? struct scull_qset *next;

};

設(shè)備的結(jié)構(gòu)體如下：

struct scull_dev {

??????? struct scull_qset *data;? /* Pointer to first quantum set */

??????? int quantum;? ????????????/* the current quantum size */

??????? int qset;???????????????? /* the current array size */

??????? unsigned long size;?????? /* amount of data stored here */

??????? unsigned int access_key;? /* used by sculluid and scullpriv */

??????? struct semaphore sem;???? /* 互斥所*/

??????? struct cdev cdev;???????? /* Char device structure????????????? */

};

設(shè)備的大小為quantum*qset。

?

5.?? 代碼解析

5.1???? 初始化

初始化函數(shù)為scull_init_module

如果指定了主設(shè)備號(hào)，調(diào)用register_chrdev_region，否則調(diào)用alloc_chrdev_region，并獲取主設(shè)備號(hào)。

然后分配設(shè)備scull_dev結(jié)構(gòu)體數(shù)組scull_devices，數(shù)量為SCULL_NR_DEVS子設(shè)備號(hào)數(shù)量,并初始化為０。接著根據(jù)需要分配的內(nèi)存空間大小正式初始化scull_devices，其中會(huì)調(diào)用scull_setup_cdev函數(shù)(該函數(shù)中會(huì)使用cdev_init，cdev_add函數(shù),初始化設(shè)備結(jié)構(gòu)中嵌入的cdev,同時(shí)綁定scull_fops),scull_fops結(jié)構(gòu)如下。

struct file_operations scull_fops = {

??????? .owner =??? THIS_MODULE,

??????? .llseek =?? scull_llseek,

?? ?????.read =???? scull_read,

??????? .write =??? scull_write,

??????? .unlocked_ioctl = scull_ioctl,

??????? .open =???? scull_open,

??????? .release =? scull_release,

};

??????????? 然后調(diào)用

初始化時(shí)候分配了指定數(shù)量的設(shè)備數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并初始化后增加到了內(nèi)核，可以在/proc/devices中看到，此時(shí)其實(shí)并沒有分配設(shè)備的內(nèi)存空間，因?yàn)檫€不需要。

?

5.2???? 退出

退出函數(shù)是scull_cleanup_module,該函數(shù)先獲取設(shè)備號(hào)。然后根據(jù)設(shè)備數(shù)量循環(huán)調(diào)用scull_trim,cdev_del函數(shù)來刪除cdev設(shè)備，最后調(diào)用kfree釋放在初始化中分配的結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)。

??????????? 其中scull_trim函數(shù)負(fù)責(zé)釋放分配的內(nèi)存空間。

5.3???? 操作函數(shù)集合

驅(qū)動(dòng)的open函數(shù)

通過inode獲取設(shè)備結(jié)構(gòu)體的指針，這個(gè)通過內(nèi)核中的container_of函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，并將其保存到文件對(duì)象的private_data中以備后用。

如果是寫模式打開，則將之前該設(shè)備分配的空間使用scull_trim函數(shù)清空。

?

llseek

返回當(dāng)前讀寫位置。

?

release

直接返回０,并不做操作。

read

先從filp->private_data中獲取設(shè)備地址。獲取設(shè)備總空間大小。

如果要讀的位置大于空間大小則退出。否則計(jì)算要讀取的正確位置，因?yàn)槊總€(gè)scull_qset結(jié)構(gòu)體指向的item空間大小是固定的，其相互之間是鏈表方式連接的。

然后會(huì)調(diào)用scull_follow函數(shù)，該函數(shù)中會(huì)通過kmalloc函數(shù)動(dòng)態(tài)分配scull_qset結(jié)構(gòu)體（如果沒有被分配過），直到包含的item累計(jì)理論空間能包含要讀取的地址。然后返回最后一個(gè)scull_qset結(jié)構(gòu)體，如果返回null，說明系統(tǒng)內(nèi)存空間不夠了。

??????????? 最后調(diào)用copy_to_user函數(shù)，將內(nèi)容復(fù)制到用戶的buf中。然后更新文件讀取位置，并返回所讀取字節(jié)大小。

write

獲取設(shè)備結(jié)構(gòu)體的指針，以及對(duì)應(yīng)的設(shè)備空間相關(guān)大小。如item,quantum。

計(jì)算文件讀取位置，調(diào)用scull_follow，返回位置所在的那個(gè)item的scull_qset結(jié)構(gòu)體，如果該結(jié)構(gòu)體對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)指針為NULL,說明之前沒有給其分配內(nèi)存空間，則調(diào)用kmalloc分配qset指向quantum的指針數(shù)數(shù)組。

然后根據(jù)讀取位置，通過函數(shù)kmalloc函數(shù)分配quantum的內(nèi)存空間。

最后調(diào)用用copy_from_user函數(shù)將數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存中的quantum片段。

?

unlocked_ioctl

對(duì)ioctl的實(shí)現(xiàn)。

6.?? 使用測(cè)試

加載驅(qū)動(dòng)后，執(zhí)行如下，其中247是主設(shè)備號(hào),在/proc/devices中可以查看到：

mknod /dev/scull0 c 247 0

mknod /dev/scull1 c 247 1

mknod /dev/scull2 c 247 2

mknod /dev/scull3 c 247 3

然后可以使用dd命令或者cp命令復(fù)制內(nèi)容到設(shè)備中。

# echo "hello" > scull0

# cat scull0

hello

7.?? 代碼

https://github.com/kernel-z/ldd3/tree/master/scull

?

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?

?

?

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的linux字符设备开发的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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