linux进阶：设备号
设计字符设备文件系统调用系统IO的内核处理过程
在Linux文件系统管理中，当应用程序调用open函数时，内核会根据文件路径找到文件的索引结点（inode），为文件分配文件描述符和文件对象，并根据打开模式和权限等参数进行相应的操作和设置。
硬件层原理
思路：把底层寄存器配置操作放在文件操作接口里，新建一个文件绑定该文件操作接口，应用程序通过操作指定文件来设置底层寄存器。
基本接口实现：查原理图，数据手册，确定底层需要配置的寄存器。类似于裸机开发。实现一个文件的底层操作接口，这是文件的基本特征。
struct file_operations存放在ebf-buster-linux/include/linux/fs.h。
struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
unsigned long mmap_supported_flags;
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
int (*check_flags)(int);
int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset, loff_t len);
void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMU
unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t, size_t, unsigned int);
int (*clone_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t, u64);
int (*dedupe_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t, u64);
int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
} __randomize_layout;
驱动层原理
把file_operations文件操作接口注册到内核，内核通过主次设备号来记录它。
构造驱动基本对象：struct cdev，里面记录具体的file_operations。
cdev_init() //把用户构建的file_operations结构体记录在内核驱动的基本对象
两个Hash表（帮助找到cdev结构体）
chrdevs：登记设备号。
__register_chrdev_region()cdev_map->probe：保存驱动基本对象struct cdev。
cdev_add()
文件系统层原理
mknod + 主次设备号构建一个新的设备文件，通过主次设备号在cdev_map中找到cdev->file_operations，把cdev->file_operations绑定到新的设备文件中。
到这一步，应用程序就可以使用open()、write()、read()等函数来控制设备文件了。
设备号的组成与哈希表
ebf-buster-linux/include/linux/kdev_t.h描述了设备号的具体构成。
/* 截取部分代码，关于设备号的描述 */
#define MINORBITS 20
#define MINORMASK ((1U << MINORBITS) -1)
#define MAJOR(dev) ((unsigned int)((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev) ((unsigned int)((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))上诉函数主设备号相等，判断新旧次设备号三种错误图如下。
保存新注册的设备号到chrdevs哈希表中，防止设备号冲突。
主设备为0时，动态分配设备号（优先使用255~234，其次使用511~384）。主设备号最大为512。
保存file_operation结构体
关键数据结构：cdev（存放在ebf-buster-linux/include/linux/cdev.h）
static struct char_device_struct {
struct char_device_struct *next; //指向下一个链表节点
unsigned int major; //主设备号
unsigned int baseminor; //次设备号
int minorct; //次设备号的数量
char name; //设备名称
struct cdev *cdev; //内核字符对象（已丢弃）
} *chrdevs;
关键数据结构：kobj_map（与哈希表有关，存放在ebf-buster-linux/drivers/base/map.c）
static struct char_device_struct * __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;
<br> /* 动态申请内存 */
cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL);
if (cd == NULL) return ERR_PTR(-ENOMEM);
/* 加互斥锁保护资源 */
mutex_lock(&chrdevs_lock);
if (major == 0) { <br> /* 主设备号为0，从chadevs哈希表中查找一个空闲位置 */
ret = find_dynamic_major();
if (ret < 0) {
pr_err("CHRDEV \"%s\" dynamic allocation region is full\n", name);
goto out;
}<br> /* 返回主设备号 */
major = ret;
}
if (major >= CHRDEV_MAJOR_MAX) {
pr_err("CHRDEV \"%s\" major requested (%u) is greater than the maximum (%u)\n", name, major, CHRDEV_MAJOR_MAX-1);
ret = -EINVAL;
goto out;
}
<br> /* 保存参数 */
cd->major = major;
cd->baseminor = baseminor;
cd->minorct = minorct;
strlcpy(cd->name, name, sizeof(cd->name));
<br> /* 哈希函数，计算哈希表的位置 */
i = major_to_index(major);<br> /* 链表排序，按主设备号从小到大排序。如果主设备号相等，按次设备号从小到大排序，要考虑次设备号的最大值 */
for (cp = &chrdevs; *cp; cp = &(*cp)->next)
if ( (*cp)->major > major || ( (*cp)->major == major && ( ( (*cp)->baseminor >= baseminor ) || ( (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor) ) ) ) break;
/* 如果主设备号相等，检查次设备号是否存在冲突*/
if (*cp && (*cp)->major == major) {<br> /* 获取链表节点的次设备号范围 */
int old_min = (*cp)->baseminor;
int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct - 1;<br> /* 获取新设备的次设备号范围 */
int new_min = baseminor;
int new_max = baseminor + minorct - 1;
/* 判断新设备的次设备号最大值是否位于链表节点的次设备号范围*/
if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) {<br> /* 确定冲突，返回错误 */
ret = -EBUSY;
goto out;
}
/* 判断新设备的次设备号最小值是否位于链表节点的次设备号范围*/
if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) {<br> /* 确定冲突，返回错误 */
ret = -EBUSY;
goto out;
}
<br> /* 判断新设备的次设备号是否跨越链表节点的次设备号范围 */
if (new_min < old_min && new_max > old_max) {<br> /* 确定冲突，返回错误 */
ret = -EBUSY;
goto out;
}
}
<br> /* 插入新设备的链表节点 */
cd->next = *cp;
*cp = cd;
mutex_unlock(&chrdevs_lock);
return cd;
out:
mutex_unlock(&chrdevs_lock);
kfree(cd);
return ERR_PTR(ret);
}
关键函数：cdev_init（存放在ebf-buster-linux/fs/char_dev.c）
作用：保存file_operation到cdev中。
关键函数：cdev_add（存放在ebf-buster-linux/fs/char_dev.c）
作用：根据哈希函数保存cdev到probes哈希表中，方便内核查找file_operation使用。
来源:https://www.cnblogs.com/couvrir/p/17626647.html
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