char device driver

概览：
第一步：注册设备号 信息#tail -f /var/log/message
注册函数：
register_chrdev_region() 或 查看#lsmod
alloc_chrdev_region() 或 查看#cat /proc/devices
register_chrdev()
注销函数：
unregist_chrdev_region() 或
unregister_chrdev()

第二步：初始化cdev并添加到系统
初始化cdev
静态初始化 cdev_init() 或
动态初始化 cdev_alloc()
添加到系统函数
cdev_add()
从系统删除函数
cdev_del()

第三步：创建设备节点
创建类
class_create() 将放于/sysfs 查看#ls /sys/class
删除类
class_destroy()

创建节点
device_create() 或 class_device_create() 将存放于/dev 查看#ls /dev
删除节点
device_destroy() 或 class_device_destroy()

第四步：简单示例

/***************************************************************************************************
第一步：注册设备号
***************************************************************************************************/
Linux内核中所有已分配的字符设备编号都记录在一个名为 chrdevs 散列表里。
该散列表中的每一个元素是一个 char_device_struct 结构，它的定义如下：

[cpp] view plain copy

static struct char_device_struct

{

struct char_device_struct *next; // 指向散列冲突链表中的下一个元素的指针

unsigned int major; // 主设备号

unsigned int baseminor; // 起始次设备号

int minorct; // 设备编号的范围大小

char name[64]; // 处理该设备编号范围内的设备驱动的名称

struct file_operations *fops; // 没有使用

struct cdev *cdev; // 指向字符设备驱动程序描述符的指针

}*chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

1 每一个主设备有一个会分配一个此结构，可以有多个次设备号。次设备是依次递增的。
2 内核提供了5个函数来来管理字符设备编号。

register_chrdev_region() 指定初始值
alloc_chrdev_region() 动态分配
register_chrdev() 指定设备号
他们都会调用 __register_chrdev_region() 来注册一组设备编号范围(一个char_device_struct结构),我们使用其中一个即可。

unregist_chrdev_region() 释放都用此函数
unregister_chrdev() 都调用了 __unregister_chrdev_region() 来注销设备

注册：
register_chrdev_region(dev_t first,unsigned int count,char *name)
first :要分配的设备编号范围的初始值(次设备号常设为0);
count :连续编号范围.
Name :编号相关联的设备名称. (/proc/devices);

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned int firstminor,unsigned int count,char *name);
*dev :存放返回的设备号
firstminor :第一个次设备号的号数,常为0;

int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops)
major ：要注册的设备号， 若为0则自动分配一个
name ：设备名
*fops ：以后再聊

释放:
void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
3 详细分析

[cpp] view plain copy

/**

* register_chrdev_region() - register a range of device numbers

* @from: the first in the desired range of device numbers; must include

* the major number.

* @count: the number of consecutive device numbers required

* @name: the name of the device or driver.

*

* Return value is zero on success, a negative error code on failure.

*/

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

{

struct char_device_struct *cd;

dev_t to = from + count;

dev_t n, next;

／＊＊

这个for循环主要是判断次设备号是否超过下一个主设备号。

如果超过（next<to)那么就只申请next－n个次设备号，也就是说，只申请一个主设备号对应的最大的次设备号的数量。

如果没有超过（next>to),那么就是申请用户穿过来的次设备数量，还是next-n，但是这个next＝to的

其实这里可以不用for循环写的，这里的for循环也只执行了一次

还就是char dev主设备号和次设备号的大小又一个宏来控制，有8|8型也有12|20型

＊／

for (n = from; n < to; n = next) {

next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);

if (next > to)

next = to;

cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n),

next - n, name);

if (IS_ERR(cd))

goto fail;

}

return 0;

fail:

to = n;

for (n = from; n < to; n = next) {

next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);

kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n));

}

return PTR_ERR(cd);

}

[cpp] view plain copy

/*

* Register a single major with a specified minor range.

*

* If major == 0 this functions will dynamically allocate a major and return

* its number.

*

* If major > 0 this function will attempt to reserve the passed range of

* minors and will return zero on success.

*

* Returns a -ve errno on failure.

*/

static struct char_device_struct *<span style="font-size:12px;"><span style="font-family:SimSun;"> </span></span>__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);

/* temporary */

if (major == 0) {

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;

}

cd->major = major;

cd->baseminor = baseminor;

cd->minorct = minorct;

strlcpy(cd->name, name, sizeof(cd->name));

i = major_to_index(major);

for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next)

if ((*cp)->major > major ||

((*cp)->major == major &&

(((*cp)->baseminor >= baseminor) ||

((*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor))))

break;

/* Check for overlapping minor ranges. */

if (*cp && (*cp)->major == major) {

int old_min = (*cp)->baseminor;

int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct - 1;

int new_min = baseminor;

int new_max = baseminor + minorct - 1;

/* New driver overlaps from the left. */

if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) {

ret = -EBUSY;

goto out;

}

/* New driver overlaps from the right. */

if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) {

ret = -EBUSY;

goto out;

}

}

cd->next = *cp;

*cp = cd;

mutex_unlock(&chrdevs_lock);

return cd;

out:

mutex_unlock(&chrdevs_lock);

kfree(cd);

return ERR_PTR(ret);

}

函数 __register_chrdev_region() 主要执行以下步骤：
1. 分配一个新的 char_device_struct 结构，并用 0 填充。
2. 如果申请的设备编号范围的主设备号为 0，那么表示设备驱动程序请求动态分配一个主设备号。动态分配主设备号的原则是从散列表的最后一个桶向前寻找，那个桶是空的，主设备号就是相应散列桶的序号。所以动态分配的主设备号总是小于 256，如果每个桶都有字符设备编号了，那动态分配就会失败。
3. 根据参数设置 char_device_struct 结构中的初始设备号，范围大小及设备驱动名称。
4. 计算出主设备号所对应的散列桶，为新的 char_device_struct 结构寻找正确的位置。同时，如果设备编号范围有重复的话，则出错返回。
5. 将新的 char_device_struct 结构插入散列表中，并返回 char_device_struct 结构的地址。

所有的字符设备驱动描述都放在chrdevs这个数组中。
static struct char_device_struct {
struct char_device_struct *next;
unsigned int major;
unsigned int baseminor;
int minorct;
char name[64];
struct cdev *cdev; /* will die */
} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

4 参考：感谢原著 (有此6个函数的源码及解说)。
http://blog.csdn.net/iLetLet/article/details/6180314

/***************************************************************************************************
第二步：初始化 cdev 并添加到系统
***************************************************************************************************/
1.内核中每个字符设备都对应一个 cdev 结构的变量，定义如下：
linux-2.6.22/include/linux/cdev.h
struct cdev
{
struct kobject kobj; //每个 cdev 都是一个 kobject
struct module *owner; //指向实现驱动的模块
const struct file_operations *ops; //操纵这个字符设备文件的方法
struct list_head list; //与 cdev 对应的字符设备文件的 inode->i_devices 的链表头
dev_t dev; //起始设备编号
unsigned int count; //设备范围号大小
};

2. 初始化cdev ：有两种定义初始化方式：

方式1：静态内存定义初始化：
struct cdev my_cdev;
cdev_init(&my_cdev, &fops);
my_cdev.owner = THIS_MODULE;

方式2：动态内存定义初始化：
struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();
my_cdev->ops = &fops;
my_cdev->owner = THIS_MODULE;

下面是2函数的具体代码：

[cpp] view plain copy

struct cdev *cdev_alloc(void) //它主要完成了空间的申请和简单的初始化操作；

{

struct cdev *p = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);

if (p)

{

INIT_LIST_HEAD(&p->list);

kobject_init(&p->kobj, &ktype_cdev_dynamic);

}

return p;

}

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

{

memset(cdev, 0, sizeof *cdev); //主要是对空间起到一个清零作用并较之cdev_alloc多了一个ops的赋值操作

INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);

kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);

cdev->ops = fops;

}

3. 添加cdev到系统
为此可以调用 cdev_add() 函数。传入cdev结构的指针，起始设备编号，以及设备编号范围。
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
{
p->dev = dev;
p->count = count;
return kobj_map(cdev_map, dev, count, NULL, exact_match, exact_lock, p);
}

释放时使用 cdev_del()函数来释放cdev占用的内存。
void cdev_del(struct cdev *p)
{
cdev_unmap(p->dev, p->count); //释放 cdev_map 散列表中的对象
kobject_put(&p->kobj); //释放 cdev 结构本身。
}

4.关于kobject_init() kobj_map()
内核中所有都字符设备都会记录在一个 kobj_map 结构的 cdev_map 变量中。
这个结构的变量中包含一个散列表用来快速存取所有的对象。
kobj_map() 函数就是用来把字符设备编号和 cdev 结构变量一起保存到 cdev_map 这个散列表里。
当后续要打开一个字符设备文件时，通过调用 kobj_lookup() 函数，根据设备编号就可以找到 cdev 结构变量，从而取出其中的 ops 字段。

/***************************************************************************************************
第三步：创建设备节点
***************************************************************************************************/
方法一：利用mknod命令手动创建设备节点。
方法二：实际上Linux内核为我们提供了一组函数,可以在模块加载的时候在/dev目录下创建相应设备节点,在卸载时可删除该节点。

原理：
1 内核中定义了struct class结构体，它对应一个类。
2 先调用class_create()函数，可以用它来创建一个类，这个类将存放于sysfs下面.
3 再调用device_create()函数，从而在/dev目录下创建相应的设备节点。
4 卸载模块对应的函数是 device_destroy 和 class_destroy()
注：2.6 以后的版本使用device_create(),之前的版本使用的class_device_create()。

详解：

[cpp] view plain copy

1:class结构：

include/linux/device.h

struct class

{

const char *name;

struct module *owner;

struct kset subsys;

struct list_head devices;

struct list_head interfaces;

struct kset class_dirs;

struct semaphore sem; /* locks children, devices, interfaces */

struct class_attribute *class_attrs;

struct device_attribute *dev_attrs;

int (*dev_uevent) (struct device *dev,struct kobj_uevent_env *env);

void (*class_release)(struct class *class);

void (*dev_release) (struct device *dev);

int (*suspend) (struct device *dev, pm_message_t state);

int (*resume) (struct device *dev);

};

2:class_create()

class_create()在/drivers/base/class.c中实现：

struct class *class_create(struct module *owner, // 指定类的所有者是哪个模块

const char *name) // 指定类名

{

struct class *cls;

int retval;

cls = kzalloc(sizeof(*cls), GFP_KERNEL);

if (!cls)

{

retval = -ENOMEM;

goto error;

}

cls->name = name;

cls->owner = owner;

cls->class_release = class_create_release;

retval = class_register(cls);

if (retval)

goto error;

return cls;

error:

kfree(cls);

return ERR_PTR(retval);

}

3:device_create()函数在/drivers/base/core.c中实现：

struct device *device_create(struct class *class, //指定所要创建的设备所从属的类

struct devicev *parent, //这个设备的父设备,如果没有就指定为NULL

dev_t devt, //设备号

const char *fmt, //设备名称

...) //从设备号

{

va_list vargs;

struct device *dev;

va_start(vargs, fmt);

dev = device_create_vargs(class, parent, devt, NULL, fmt, vargs);

va_end(vargs);

return dev;

}

/***************************************************************************************************
第四步：例子
***************************************************************************************************/

[cpp] view plain copy

#include <linux/module.h>

#include <linux/kernel.h>

#include <linux/init.h>

#include <linux/fs.h>

#include <linux/cdev.h>

#include <linux/device.h>

int hello_major = 555;

int hello_minor = 0;

int number_of_devices = 1;

struct cdev cdev;

dev_t dev = 0;

struct file_operations hello_fops = { .owner = THIS_MODULE };

static void char_reg_setup_cdev(void) {

int error, devno = MKDEV(hello_major, hello_minor);

cdev_init(&cdev, &hello_fops);

cdev.owner = THIS_MODULE;

cdev.ops = &hello_fops;

error = cdev_add(&cdev, devno, 1);

if (error)

printk (KERN_NOTICE "Error %d adding char_reg_setup_cdev", error);

}

struct class *my_class;

static int __init hello_2_init (void)

{

int result;

struct device *dev;

dev = MKDEV (hello_major, hello_minor);

result = register_chrdev_region (dev, number_of_devices, "hello");

if (result<0) {

printk (KERN_WARNING "hello: can't get major number %d/n", hello_major);

return result;

}

char_reg_setup_cdev ();

/* create your own class under /sysfs */

my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_class");

if(IS_ERR(my_class))

{

printk("Err: failed in creating class./n");

return -1;

}

/* register your own device in sysfs, and this will cause udev to create corresponding device node */

dev=device_create( my_class, NULL, MKDEV(hello_major, 0), "hello" "%d", 0 );

if(dev==NULL)

printk("<5>create device error!!!!\n");

printk (KERN_INFO "Registered character driver/n");

return 0;

}

static void __exit hello_2_exit (void)

{

dev_t devno = MKDEV (hello_major, hello_minor);

cdev_del (&cdev);

device_destroy(my_class, MKDEV(hello_major, 0)); //delete device node under /dev

class_destroy(my_class); //delete class created by us

unregister_chrdev_region (devno, number_of_devices);

printk (KERN_INFO "char driver cleaned up/n");

}

module_init( hello_2_init);

module_exit( hello_2_exit);

MODULE_LICENSE ("GPL");