字符设备驱动 架构分析

转自 http://linux.chinaunix.net/bbs/viewthread.php?tid=1027719 xpl

的文章：

好长时间没怎么看书了,最近把字符设备驱动部分又复习了一下,写个笔记.

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;

};

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

1. 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,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

2. 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() 来实现

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.

3. 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.

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这篇文章里好多东西看不懂。不过上面红色那一行解决了我的一个疑问：

ldd3 p58讲：

struct file_operations *f_op 是 struct file 里的一个重要结构。

struct file_operations *f_op

与文件相关的操作，内核在执行open操作时对这个指针赋值

，以后需要处理这些操作时就读取这个指针。

这样就搞明白了用户定义的file_operations 结构如何和file结果里的file_operations关联起来的。 用户设置了cdev里的file_operations后，以后打开设备时，内核自动把cdev里的file_operations结构赋值给file对象里的file_operations结构。

至于上面说的第四步，在内核里找到了相关的代码：

linux/fs/char_dev.c

254 int chrdev_open(struct inode * inode, struct file * filp)
255 {
256         struct cdev *p;
257         struct cdev *new = NULL;
258         int ret = 0;
259
260         spin_lock(&cdev_lock);
261         p = inode->i_cdev;
262         if (!p) {
263                 struct kobject *kobj;
264                 int idx;
265                 spin_unlock(&cdev_lock);
266                 kobj = kobj_lookup(cdev_map, inode->i_rdev, &idx);
267                 if (!kobj)
268                         return -ENXIO;
269                 new = container_of(kobj, struct cdev, kobj);
270                 spin_lock(&cdev_lock);
271                 p = inode->i_cdev;
272                 if (!p) {
273                         inode->i_cdev = p = new;
274                         inode->i_cindex = idx;
275                         list_add(&inode->i_devices, &p->list);
276                         new = NULL;
277                 } else if (!cdev_get(p))
278                         ret = -ENXIO;
279         } else if (!cdev_get(p))
280                 ret = -ENXIO;
281         spin_unlock(&cdev_lock);
282         cdev_put(new);
283         if (ret)
284                 return ret;
285         filp->f_op = fops_get(p->ops);
286         if (!filp->f_op) {
287                 cdev_put(p);
288                 return -ENXIO;
289         }
290         if (filp->f_op->open) {
291                 lock_kernel();
292                 ret = filp->f_op->open(inode,filp);
293                 unlock_kernel();
294         }
295         if (ret)
296                 cdev_put(p);
297         return ret;
298 }

[/code]