第三章——字符驱动设备
3.1、字符设备驱动基础
设备文件通常位于/dev目录下：
crw-rw-rw- 1 root root 5, 0 2020-04-17 18:51 tty
crw-rw---- 1 radio radio 237, 3 2020-04-17 18:51 ttyC0
crw-rw---- 1 radio radio 237, 7 2020-04-17 18:51 ttyC1
其中c表示字符设备。在现在的Linux系统中，设备文件通常是自动创建的，但我们还是可以通过mknod命令手动创建一个设备文件：
# mknod /dev/vser0 c 256 0
# ls -li /dev/vser0
46347 crw-rw---- 1 root root 256, 0 2020-04-19 17:36 /dev/vser0
mknod命令创建了一个节点，在Linux中一个节点代表一个文件，创建一个文件的最主要的工作就是分配一个新的节点（node），包含节点号（46347唯一）的分配。以ext2文件系统为例：
/*fs/ext2/ext2.h*/
/*
* Structure of an inode on the disk
*/
struct ext2_inode {
__le16 i_mode; /* File mode */
__le16 i_uid; /* Low 16 bits of Owner Uid */
__le32 i_size; /* Size in bytes */
__le32 i_atime; /* Access time */
__le32 i_ctime; /* Creation time */
__le32 i_mtime; /* Modification time */
......
__le32 i_block[EXT2_N_BLOCKS];/* Pointers to blocks */
......
};
inode成员结构在上面的结构里做了表述，在/fs/ext2/inode.c中：
static int __ext2_write_inode(struct inode *inode, int do_sync) {
struct ext2_inode *raw_inode = ext2_get_inode(sb, ino, &bh); //获得一个要写入磁盘的ext2_inode结构，并初始化了部分成员。
}
同理，目录本身也是一个文件，在fs/ext2/ext2.h也有struct ext2_dir_entry结构来描述目录。
mknod的执行，将文件名、文件类型和主、次设备号等信息保存在了磁盘上。
3.2、如何打开一个文件？
- 一个进程（task_struct）的成员（task_struct->file_struct）该结构中有一个指针数组fd_array，用于维护打开文件的信息。数组fd_array的每一个元素是指向file结构的一个指针。
- open系统调用在内核中对应函数为sys_open，sys_open调用do_sys_open。
- do_sys_open调用getname函数将文件名从用户空间复制到内核空间，再调用get_unused_fd_flags获取一个没用过的文件描述符fd。
- 调用do_filp_open来构造一个file结构并初始化里面的成员，最重要的是将f_op成员指向驱动操作方法file_operations。通过file_operations的open函数指针可以调用驱动的打开操作。
- do_filp_open调用成功后，调用fd_install函数，该函数将得到的文件描述符作为访问fd_array数组的下标，让下标对应的元素指向新构造的file结构。
- 最后系统调用返回到应用层，将刚才的数组下标作为打开文件的文件描述符返回。
对字符设备来说，设备号、cdev和file_operations至关重要，内核找到路径名对应的inode后，要和驱动建立连接，首先要做的就是根据inode中的设备号找到cdev，然后根据cdev找到file_operations集合。
3.3、字符驱动设备框架
3.3.1、注册设备号
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#define VSER_MAJOR 256
#define VSER_MINOR 0
#define VSER_DEV_CNT 1
#define VSER_DEV_NAME "vser"
//加载模块
static int __init vser_init(void) {
int ret;
dev_t dev;
dev = MKDEV(VSER_MAJOR, VSER_MINOR); //将主次设备号合并，主设备号占12位，次设备号占20位
ret = register_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT, VSER_DEV_NAME);
if(ret)
goto reg_err;
return 0;
reg_err:
return ret;
}
//卸载模块
static void __exit vser_exit(void) {
printk("vser_exit\n");
dev_t dev;
dev = MKDEV(VSER_MAJOR, VSER_MINOR);
unregister_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT);
}
module_init(vser_init);
module_exit(vser_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
框架可在ubuntu下测试
# make
# make modules_install
# depmod
# modprobe vser
# cat proc/devices
上面描述的方法为静态注册设备号，还有一种动态注册设备号的函数：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);
3.3.2、构造并添加cdev结构体
@@ -8,5 +8,5 @@
#define VSER_DEV_NAME "vser"
+ static struct cdev vsdev;
+ static struct file_operations vser_ops = {
+ .owner = THIS_MODULE,
+
+ }
@@ -11,5 +11,5 @@
static int __init vser_init(void) {
if(ret)
goto reg_err;
+ cdev_init(&vsdev, &vser_ops); //cdev初始化
+ vsdev.owner = THIS_MODULE;
+ ret = cdev_add(&vsdev, dev, VSER_DEV_CNT);
+ if(ret)
+ goto add_err;
return 0;
+add err:
+ unregister_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT);
reg_err:
return ret;
}
@@ -27,5 +27,5 @@
static void __exit vser_exit(void) {
dev = MKDEV(VSER_MAJOR, VSER_MINOR);
+ cdev_del(&vsdev);
unregister_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT);
}
同理，cdev对象是静态定义的，也可以进行动态分配，对应的函数如下：
struct cdev *cdev_alloc(void);
//成功返回动态分配的cdev对象地址，失败返回NULL
