Linux字符驱动之misc device
1. misc device
1.1 什么是杂项设备
Linux常用的驱动设备分为字符设备、块设备、网络设备。字符设备是嵌入式Linux中常见的设备。misc device中文翻译称为“杂项设备”，杂项设备本质就是字符设备。嵌入式硬件上存在各类设备，如ADC、DAC、按键、蜂鸣器等，一方面不便于单独分类，另一方面驱动设备号分配有限，因此Linux系统引入“杂项设备”，驱动工程师将这些没有明显区分的设备统一归类为杂项设备。
杂项设备不是新的设备类型，只是是字符设备的一类，是最简单的字符设备。同时，关于设备归类也是由驱动工程决策，并无严格规定。比如，一个ADC驱动，可以归类为普通字符设备，也可以归类为杂项设备。
1.2杂项设备特点
杂项设备的主设备号（MISC_MAJOR）为10，通过次设备号区分不同杂项设备。杂项设备注册时，所有的杂项设备以链表形式存在，系统应用访问设备时，内核会根据次设备号匹配到对应的杂项设备，然后调用“file_operations”结构中注册的文件操作接口（open/read/ioctl等）进行操作。
- 杂项设备是字符设备的一个子类，是最简单的字符设备。
- 杂项设备的主设备号（MISC_MAJOR）为10。
- Linux内核提供杂项设备注册、释放框架，简化字符设备注册过程。
1.3 使用杂项设备优点
- 便于实现，简化设备驱动实现过程。
- 整个系统更规范化，多样化设备统一由内核杂项设备管理。
- 节约系统资源，如主设备号。
2. 杂项设备分析
2.1 杂项设备抽象
杂项设备将字符设备进一步封装一层，有专门的驱动框架，对于驱动工程师来说可以简化字符设备注册过程。Linux内核把杂项设备抽象为一个结构体，位于“include/linux/miscdevice.h”中。
struct miscdevice {
int minor;
const char *name;
const struct file_operations *fops;
struct list_head list;
struct device *parent;
struct device *this_device;
const char *nodename;
umode_t mode;
int (*suspend)(struct miscdevice *, pm_message_t);
int (*resume)(struct miscdevice *);
};
- minor：次设备号。
- name：设备名称，“/dev”目录下显示。
- fops：设备文件操作接口，open/read/write等。
- list：misc设备链表节点
- parent：当前设备父设备，一般为NULL。
- this_device：当前设备，即是linux基本设备驱动框架。
编写杂项设备时，我们主要实现前三个变量。杂项设备的主设备号是10，次设备号需程序员指定，用以区分不同杂项设备。Linux内核在“include/linux/miscdevice.h”预定义了部分次设备号。编写程序时，可以使用预定义的次设备号，也可以自定义次设备号，前提该次设备号没有被其他杂项设备使用，否则设备会注册失败。当分配的次设备号为255（MISC_DYNAMIC_MINOR），则表示由内核自动分配次设备号。
/*
* These allocations are managed by device@lanana.org. If you use an
* entry that is not in assigned your entry may well be moved and
* reassigned, or set dynamic if a fixed value is not justified.
*/
#define PSMOUSE_MINOR 1
#define MS_BUSMOUSE_MINOR 2
#define ATIXL_BUSMOUSE_MINOR 3
/*#define AMIGAMOUSE_MINOR 4 FIXME OBSOLETE */
#define ATARIMOUSE_MINOR 5
......
#define MISC_DYNAMIC_MINOR 255
设备名称，设备注册成功后，在“/dev”目录生成一个该名称的设备文件。应用层调用杂项设备，最终是调驱动程序注册的fops文件操作集合。
2.2 杂项设备注册
传统字符设备注册过程步骤一般为：
[1] alloc_chrdev_region(); /* 申请设备号 */
[2] cdev_init(); /* 初始化字符设备 */
[3] class_create(); /* 创建类 */
[4] device_create(); /* 创建基本驱动设备 */
Linux把杂项设备注册封装为一个接口函数“misc_register”，简化了传统字符设备注册过程，注册成功返回0，失败返回负数。关于注册函数原型和分析，其实也是创建传统字符设备的步骤过程。
int misc_register(struct miscdevice * misc)
{
struct miscdevice *c;
dev_t dev;
int err = 0;
/* 初始化一个链表头，所有杂项设备挂在这个链表上 */
INIT_LIST_HEAD(&misc->list);
/* 互斥锁上锁 */
mutex_lock(&misc_mtx);
/*先遍历已经注册的设备，通过对比次设备号，如果待注册设备已存在，返回设备忙错误 */
list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {
if (c->minor == misc->minor) {
mutex_unlock(&misc_mtx);
return -EBUSY;
}
}
/* 检查是否需要动态分配次设备号 */
if (misc->minor == MISC_DYNAMIC_MINOR) {
int i = find_first_zero_bit(misc_minors, DYNAMIC_MINORS);
if (i >= DYNAMIC_MINORS) {
mutex_unlock(&misc_mtx); /* 无可用次设备号？ */
return -EBUSY;
}
misc->minor = DYNAMIC_MINORS - i - 1;
set_bit(i, misc_minors); /* 标识当前设备号已使用 */
}
/* 申请主次设备号 */
dev = MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor);
/* 创建驱动设备，linux基本设备驱动模型相关 */
misc->this_device = device_create(misc_class, misc->parent, dev,
misc, "%s", misc->name);
if (IS_ERR(misc->this_device)) { /* 创建失败 */
int i = DYNAMIC_MINORS - misc->minor - 1;
if (i < DYNAMIC_MINORS && i >= 0)
clear_bit(i, misc_minors); /* 清除设备号“已使用”标识 */
err = PTR_ERR(misc->this_device);
goto out;
}
/*
* Add it to the front, so that later devices can "override"
* earlier defaults
*/
/* 将新注册的杂项设备加入到内核维护的misc_list链表中 */
list_add(&misc->list, &misc_list);
out:
mutex_unlock(&misc_mtx);
return err;
}
2.3 杂项设备注销
与注册过程一样，杂项设备注销也只需要执行一个函数即可。传统字符串设备注销过程步骤一般为：
[1] device_destory(); /* 删除基本驱动设备*/
[2] class_destory(); /* 删除类 */
[3] cdev_del(); /* 删除字符设备 */
[4] unregister_chrdev_region(); /* 注销设备号 */
杂项设备注销函原型和注释，注销成功返回0，失败返回负数：
int misc_deregister(struct miscdevice *misc)
{
int i = DYNAMIC_MINORS - misc->minor - 1;
if (WARN_ON(list_empty(&misc->list))) /* 检查待注销设备是否存在链表中 */
return -EINVAL;
mutex_lock(&misc_mtx); /* 互斥锁上锁 */
list_del(&misc->list); /* 删除设备链表 */
device_destroy(misc_class, MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor)); /*删除设备 */
if (i < DYNAMIC_MINORS && i >= 0)
clear_bit(i, misc_minors); /* 释放次设备号 */
mutex_unlock(&misc_mtx); /* 解锁 */
return 0;
3. 杂项设备例子
在之前文章中，编写了一个“软驱动”，注册为字符设备。现将其注册为杂项设备。
3.1 实现过程
第一步：驱动抽象结构体
设备号、类、设备等杂项设备在注册过程已实现，故只需驱动的设备只需保留本身需要的信息（私有数据）。
struct memory_device
{
//struct cdev dev;
//dev_t devno;
//struct class *devclass;
//struct device *device;
char *mem_buf;
uint32_t mem_size;
};
第二步：文件操作接口集合
文件操作接口集合保持不变，即read、write、ioctl等实例化。
static const struct file_operations memory_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = memory_drv_open,
.read = memory_drv_read,
.write = memory_drv_write,
.release = memory_drv_close,
.ioctl = memory_drv_ioctl,
.llseek = memory_drv_llseek,
};
第三步：杂项设备（misc device）实例化
static struct miscdevice memory_miscdrv =
{
.minor = 23, /* 子设备号 */
.name = "dev_mem", /* 设备名称 */
.fops = &memory_fops, /* 操作文件接口 */
};
第四步：设备注册
杂项设备基于platform框架实现，通过“探测”函数实现注册。
static int memory_drv_probe(struct platform_device *dev)
{
int ret = -1;
pmemory_dev = kmalloc(sizeof(struct memory_device), GFP_KERNEL);
if (NULL == pmemory_dev)
{
ret = -ENOMEM;
printk("kmalloc request memory falied.\n");
return ret;
}
memset(pmemory_dev, 0, sizeof(struct memory_device));
ret = misc_register(&memory_miscdrv); /* 注册杂项设备 */
if(ret < 0)
{
printk("memory miscdrv register failed.\n");
kfree(pmemory_dev);
pmemory_dev = NULL;
ret = -EFAULT;
return ret;
}
return 0;
}
第五步：设备卸载（注销）
static int memory_drv_remove(struct platform_devie *dev)
{
misc_deregister(&memory_miscdrv); /* 注销设备 */
kfree(pmemory_dev->mem_buf);
pmemory_dev->mem_buf = NULL;
pmemory_dev->mem_size = 0;
kfree(pmemory_dev);
pmemory_dev = NULL;
return 0;
}
余下步骤则是platform驱动框架的注册过程。
3.2 实现结果
在Ubuntu下编译dev_mem.c和drv_mem.c，分别生成dev_mem.ko和drv_mem.ko,分别手动insmod到内核中。然后执行app测试文件。
加载成功后会在“/dev” 目录生成“dev_mem”设备文件，在misc设备类“/sys/class/misc”中生成“dev_mem”类（所有杂项设备都同属一个类）。
通过“ls /dev/dev_mem -l”可查看设备的主、次设备号；或者可以通过“cat /proc/misc”查看次设备号。如下图dev_mem主设备号为10，次设备号为23。
3.3 源码
【1】https://github.com/Prry/linux-drivers/tree/master/devmem_misc
4. 参考
