linux进阶：设备号

青霜姑娘

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。

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 (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
7.         ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
8.         int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
9.         int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
10.         __poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
11.         long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
12.         long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
13.         int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
14.         unsigned long mmap_supported_flags;
15.         int (*open) (struct inode *, struct file *);
16.         int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
17.         int (*release) (struct inode *, struct file *);
18.         int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
19.         int (*fasync) (int, struct file *, int);
20.         int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
21.         ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
22.         unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
23.         int (*check_flags)(int);
24.         int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
25.         ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
26.         ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
27.         int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
28.         long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset, loff_t len);
29.         void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
30. #ifndef CONFIG_MMU
31.         unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
32. #endif
33.         ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t, size_t, unsigned int);
34.         int (*clone_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t, u64);
35.         int (*dedupe_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t, u64);
36.         int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
37. } __randomize_layout;

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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。

1. 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

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两个Hash表（帮助找到cdev结构体）
chrdevs：登记设备号。

1. __register_chrdev_region()

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cdev_map->probe：保存驱动基本对象struct cdev。

1. cdev_add()

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文件系统层原理

1. mknod + 主次设备号

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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。

1. /* 截取部分代码，关于设备号的描述 */
2. #define MINORBITS    20
3. #define MINORMASK    ((1U << MINORBITS) -1)
5. #define MAJOR(dev)   ((unsigned int)((dev) >> MINORBITS))
6. #define MINOR(dev)   ((unsigned int)((dev) & MINORMASK))
7. #define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

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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）

1. static struct char_device_struct {
2.         struct char_device_struct *next;    //指向下一个链表节点
3.         unsigned int major;                      //主设备号  
4.         unsigned int baseminor;               //次设备号
5.         int minorct;                                 //次设备号的数量
6.         char name[64];                           //设备名称
7.         struct cdev *cdev;                       //内核字符对象（已丢弃）
8. } *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

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关键数据结构：kobj_map（与哈希表有关，存放在ebf-buster-linux/drivers/base/map.c）

1. static struct char_device_struct * __register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor, int minorct, const char *name)
2. {
3.         struct char_device_struct *cd, **cp;
4.         int ret = 0;
5.         int i;
6. <br>　　　　 /* 动态申请内存 */
7.         cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL);
8.         if (cd == NULL)　　return ERR_PTR(-ENOMEM);
9. 　　　　 /* 加互斥锁保护资源 */
10.         mutex_lock(&chrdevs_lock);
12.         if (major == 0) {　　<br>　　　　　　　　　 /* 主设备号为0，从chadevs哈希表中查找一个空闲位置 */
13.                 ret = find_dynamic_major();
14.                 if (ret < 0) {
15.                         pr_err("CHRDEV "%s" dynamic allocation region is full\n", name);
16.                         goto out;
17.                 }<br>　　　　　　　　　 /* 返回主设备号 */
18.                 major = ret;　　
19. 　　　　 }
21.         if (major >= CHRDEV_MAJOR_MAX) {
22.                 pr_err("CHRDEV "%s" major requested (%u) is greater than the maximum (%u)\n", name, major, CHRDEV_MAJOR_MAX-1);
23.                 ret = -EINVAL;
24.                 goto out;
25.         }
26. <br>　　　　 /* 保存参数 */
27.         cd->major = major;
28.         cd->baseminor = baseminor;
29.         cd->minorct = minorct;
30.         strlcpy(cd->name, name, sizeof(cd->name));
31. <br> 　　　　/* 哈希函数，计算哈希表的位置 */
32.         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 */
33.         for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next)
34.                 if ( (*cp)->major > major || ( (*cp)->major == major && ( ( (*cp)->baseminor >= baseminor ) || ( (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor) ) ) )　　break;
36.         /* 如果主设备号相等，检查次设备号是否存在冲突  */
37.         if (*cp && (*cp)->major == major) {<br>　　　　　　　　　 /* 获取链表节点的次设备号范围 */
38.                 int old_min = (*cp)->baseminor;
39.                 int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct - 1;<br>　　　　　　　　　 /* 获取新设备的次设备号范围 */
40.                 int new_min = baseminor;
41.                 int new_max = baseminor + minorct - 1;
43.                 /* 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  */
44.                 if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) {<br>　　　　　　　　　　　　　　 /* 确定冲突，返回错误 */
45.                         ret = -EBUSY;
46.                         goto out;
47.                 }
49.                 /* 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  */
50.                 if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) {<br>　　　　　　　　　　　　　　 /* 确定冲突，返回错误 */
51.                         ret = -EBUSY;
52.                         goto out;
53.                 }
54. <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 */
55.                 if (new_min < old_min && new_max > old_max) {<br>　　　　　　　　　　　　　　 /* 确定冲突，返回错误 */
56.                         ret = -EBUSY;
57.                         goto out;
58.                 }
59.         }
60. <br>　　　　 /* 插入新设备的链表节点 */
61.         cd->next = *cp;
62.         *cp = cd;
63.         mutex_unlock(&chrdevs_lock);
64.         return cd;
65. out:
66.         mutex_unlock(&chrdevs_lock);
67.         kfree(cd);
68.         return ERR_PTR(ret);
69. }

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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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