【学习笔记】2~字符设备驱动的实现原理

本文写的什么：

Linux内核按照主要功能划分主要分为进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动，其他的诸如网络、时钟、进程间通信也是内核的主要组成部分，但是不能算是基础设施吧（其实也不对，网络在这个年代也算是基础设施了）。

 

前面写了Linux内核的功能划分，实在是从代码角度分析进程管理、内存管理、文件系统、设备驱动 这四部分密不可分。对于一个简单的字符设备驱动程序而言，并不只是熟悉设备驱动开发就可以了，因为借助于“万物皆文件”的概念，设备驱动其实也是作为文件系统的一个特例，而文件系统的管理又是和进程密不可分的，而且在具体的操作过程中离不开memalloc(不是c标准的内存申请操作了，而是内核自己的内存申请操作了）。

 

一个设备驱动程序所涉及的不外乎以下几种操作：设备注册，打开设备，读设备，写设备，操作设备（字符设备好像没见过ioctrl相关的）。

 

 

设备注册：

首先，在linux内核里，主设备号标识一类设备（这类设备有一个统一的设备驱动程序，那不同字符设备操作不一样怎么办？设备驱动程序里面依赖于次设备号找到对应的函数指针，参考def_chr_fops）。而为了根据设备号快速获得字符设备及其驱动程序的函数指针，所以内核提供了cdev_add函数把我们创建的字符设备添加到一个cdev_map这个HASH表里面。简单上个图，这块儿内核是采用了kobject机制添加的。

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C 代码

01	int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

02

{

03	int error;

04

05	p->dev = dev;

06	p->count = count;

07

08	error = kobj_map(cdev_map, dev, count, NULL,

09	exact_match, exact_lock, p);

10	if (error)

11	return error;

12

13	kobject_get(p->kobj.parent);

14

15

return 0;

16

}

 

设备添加的时候，还要告诉内核当前设备驱动程序的read\write回调接口：

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C 代码

1	cdev_init(&(dev->dev), &hello_fops);

2	dev->dev.owner = THIS_MODULE;

3	dev->dev.ops = &hello_fops;

4

5	/*注册字符设备*/

6	err = cdev_add(&(dev->dev),devno, 1);

 

真正创建设备的操作上面还没写出来，上面只是按照内核提供的框架给出了各种文件操作的回调函数。我们还得在文件系统中看到/dev/hello才行。

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C 代码

01	/*在/sys/class/目录下创建设备类别目录hello*/

02	hello_class = class_create(THIS_MODULE, HELLO_DEVICE_CLASS_NAME);

03	if(IS_ERR(hello_class)) {

04	err = PTR_ERR(hello_class);

05	printk(KERN_ALERT"Failed to create hello class.\n");

06	goto destroy_cdev;

07

}

08

09	/*在/dev/目录和/sys/class/hello目录下分别创建设备文件hello*/

10	temp = device_create(hello_class, NULL, dev, "%s", HELLO_DEVICE_FILE_NAME);

11	if(IS_ERR(temp)) {

12	err = PTR_ERR(temp);

13	printk(KERN_ALERT"Failed to create hello device.");

14	goto destroy_class;

15

}

 

最后内核会调用到：

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C 代码

01	if (MAJOR(dev->devt)) {

02	error = device_create_file(dev, &dev_attr_dev);

03	if (error)

04	goto ueventattrError;

05

06	error = device_create_sys_dev_entry(dev);

07	if (error)

08	goto devtattrError;

09

10	devtmpfs_create_node(dev);

11

}

12	***通过uevent事件通知udev这个守护程序创建dev目录。

13	kobject_uevent(&dev->kobj, KOBJ_ADD);

uevent来负责完成mknod自动创建设备节点

 

mknod会触发ramfs系统调用创建inode

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C 代码

1	error = dir->i_op->mknod(dir, dentry, mode, dev);即为ramfs_dir_inode_operations->mknod

2

3	ramfs_mknod(struct inode *dir, struct dentry *dentry, umode_t mode, dev_t dev)

4

{

5	struct inode * inode = ramfs_get_inode(dir->i_sb, dir, mode, dev);//新建立一个inode节点并和设备信息绑定

6	int error = -ENOSPC;<br>

 

 

打开设备：

打开设备，就和打开文件一样了，关键是需要找到inode和file到device的转换操作

 

字符设备的inode是ramfs在mknod时生成的，do_sys_open() 系统调用会根据文件名找到inode并创建file实例(对应文件描述符）。找到了inode也就找到了file_operations，因为在创建设备时候，我们会把file_operations的值赋值到inode里面。

 

一个全景图如下：

 

 

读、写、操作字符设备：

用户空间对字符设备的后续操作，比如read、write和ioctl等，将通过open函数返回的fd找到对应的filp（这玩意儿说白了就是我们的文件描述符），然后调用filp->f_op中实现的各类字符设备操作函数