Linux内核驱动：cdev、misc以及device三者之间的联系和区别
Linux内核驱动：cdev、misc以及device三者之间的联系和区别
背景
我想在cdev中使用dev_err等log打印函数，但是跟踪了一下cdev中的原型，发现并不是我想要的。
常见的驱动是这样子使用dev_err的：
// 某个驱动，这里是电池有关的
static int32_t oz8806_read_byte(struct oz8806_data *data, uint8_t index, uint8_t *dat)
{
struct i2c_client *client = data->myclient;
// ...
dev_err(&client->dev, "%s: err %d, %d times\n", __func__, ret, i);
// ...
}
而i2c_client原型是这样子的，dev就是一个device：
// include/linux/i2c.h
struct i2c_client {
// ...
struct device dev; /* the device structure */
// ...
};
那么，我想只要找到cdev中的dev，也可以这样子用，对吧？但是：
// include/linux/cdev.h
struct cdev {
struct kobject kobj;
struct module *owner;
const struct file_operations *ops;
struct list_head list;
dev_t dev;
unsigned int count;
} __randomize_layout;
而dev_t长这个样子：
// include/linux/types.h
typedef u32 __kernel_dev_t;
typedef __kernel_dev_t dev_t;
我在困惑dev_t是什么东西以后，找到了下面这篇文章。
原文（有删改）：https://blog.csdn.net/leochen_career/article/details/78540916
从/dev目录说起
从事Linux嵌入式驱动开发的人，都很熟悉下面的一些基础知识， 比如，对于一个char类型的设备，我想对其进行read wirte 和ioctl操作，那么：
1、我们通常会在内核驱动中实现一个file_operations结构体，然后分配主次设备号，调用cdev_add函数进行注册。
2、从/proc/devices下面找到注册的设备的主次设备号，在用mknod /dev/char_dev c major minor 命令行创建设备节点。
3、在用户空间open /dev/char_dev这个设备，然后进行各种操作。
OK，字符设备模型就这么简单，很多ABC教程都是一个类似的实现。
然后我们去看内核代码时，突然一脸懵逼。。。怎么内核代码里很多常用的驱动的实现不是这个样子的？没看到有file_operations结构体，我怎么使用这些驱动？看到了/dev目录下有需要的char设备，可是怎么使用呢？
Linux驱动模型的一个重要分界线
linux2.6版本以前，普遍的用法就像我上面说的一样。但是linux2.6版本以后，引用了Linux设备驱动模型，开始使用了基于sysfs的文件系统，出现让我们不是太明白的那些Linux内核驱动了。
也就是说，我们熟悉的那套驱动模式是2.6版本以前的（当然这是基础，肯定要会的）
我们不熟悉的驱动模型是2.6版本以后的。
cdev、misc以及device
cdev和device的区别和联系
struct cdev {
struct kobject kobj;
struct module *owner;
const struct file_operations *ops;
struct list_head list;
dev_t dev;
unsigned int count;
};
struct device {
struct device *parent;
struct device_private *p;
struct kobject kobj;
const char *init_name; /* initial name of the device */
struct device_driver *driver; /* which driver has allocated this device */
void * driver_data ; /* Driver data, set and get with dev_set/get_drvdata */
dev_t devt; /* dev_t, creates the sysfs "dev" */
u32 id; /* device instance */
void (*release)( struct device *dev);
// ...
};
通过看这两个结构体发现，其实cdev和device之间没啥直接的联系，只有一个 dev_t 和kobject 是相同的。 dev_t 这个是联系两者的一个纽带了 。
通常可以这么理解： cdev是传统驱动的设备核心数据结构，device是Linux设备驱动模型中的核心数据结构。
miscdevice和device的区别和联系
struct miscdevice {
int minor;
const char *name;
const struct file_operations *fops;
struct list_head list;
struct device *parent;
struct device *this_device;
const struct attribute_group groups;
const char *nodename;
umode_t mode;
};
从定义可以看出，miscdevice是 device的子类，是从device派生出来的结构体，也是属于device范畴的，也就是该类设备会统一在/sys目录下进行管理了。
miscdevice和cdev的区别和联系
通过上面的数据结构可以看到，两者都有一个file_operations和 dev_t（misdevice由于主设备号固定，所以结构体里只有一个minor）。
从数据结构上看，miscdevice是device和cdev的结合。
注册device与cdev的不同
要注册一个device设备，需要调用核心函数device_register()（或者说是device_add()函数） ；
要注册一个cdev设备，需要调用核心函数register_chrdev()(或者说是cdev_add()函数)
device_register函数与cdev、misc以及device
为了方便理解cdev、misc以及device这3者的关系，我们看看device_register()的实际调用。
有关的代码位于：
drivers/base/core.c
device_register
device_add // 其中包含2个关键函数
// 将相关信息添加到/sys文件系统中（略）
device_create_file
// 将相关信息添加到/devtmpfs文件系统中
devtmpfs_create_node
device_create_file不做详细解析，因为devices本来就是/sys文件系统中的重要概念
关键是devtmpfs_create_node
什么是Devtmpfs 的概念
Devtmpfs lets the kernel create a tmpfs very early at kernel initialization , before any driver core device is registered . Every device with a major / minor will have a device node created in this tmpfs instance . After the rootfs is mounted by the kernel , the populated tmpfs is mounted at
/ dev.
devtmpfs_create_node()函数的核心是调用了内核的 vfs_mknod()函数，这样就在devtmpfs系统中创建了一个设备节点，当devtmpfs被内核mount到/dev目录下时，该设备节点就存在于/dev目录下，比如/dev/char_dev之类的。
vfs_mknod函数中会调用init_special_inode.
init_special_inode
如果node是一个char设备，会给i_fop 赋值一个默认的def_chr_fops，也就是说对该node节点，有一个默认的操作。在open一个字符设备文件时，最终总会调用chrdev_open，然后调用各个char设备自己的file_operations 定义的open函数。
void init_special_inode( struct inode *inode, umode_t mode, dev_t rdev)
{
inode->i_mode = mode;
if (S_ISCHR(mode)) {
inode->i_fop = &def_chr_fops;
inode->i_rdev = rdev;
} else if (S_ISBLK(mode)) {
inode->i_fop = &def_blk_fops;
inode->i_rdev = rdev;
} else if (S_ISFIFO(mode))
inode->i_fop = &pipefifo_fops;
else if (S_ISSOCK(mode))
; /* leave it no_open_fops */
else
printk(KERN_DEBUG "init_special_inode: bogus i_mode (%o) for"
" inode %s:%lu\n" , mode, inode->i_sb->s_id,
inode->i_ino);
}
/*
* Dummy default file-operations: the only thing this does
* is contain the open that then fills in the correct operations
* depending on the special file...
*/
const struct file_operations def_chr_fops = {
.open = chrdev_open ,
.llseek = noop_llseek,
};
static int chrdev_open( struct inode *inode, struct file *filp)
{
ret = -ENXIO;
fops = fops_get(p->ops);
if (!fops)
goto out_cdev_put;
replace_fops (filp, fops);
if (filp->f_op->open) {
ret = filp->f_op-> open (inode, filp);
if (ret)
goto out_cdev_put;
}
return 0;
out_cdev_put:
cdev_put(p);
return ret;
}
上面分析的核心意思是：device_register()函数除了注册在/sys下面外；
还通过devtmpfs_create_node()在/dev目录下创建了一个设备节点(inode)，这个设备节点有一个默认的file_operations。
cdev_add函数的实质
/**
* cdev_add() - add a char device to the system
* @p: the cdev structure for the device
* @dev: the first device number for which this device is responsible
* @count: the number of consecutive minor numbers corresponding to this
* device
*
* cdev_add() adds the device represented by @p to the system, making it
* live immediately. A negative error code is returned on failure.
*/
int cdev_add( struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
{
int error;
p->dev = dev;
p->count = count;
error = kobj_map (cdev_map, dev, count, NULL,
exact_match, exact_lock, p);
if (error)
return error;
kobject_get(p->kobj.parent);
return 0;
}
kobj_map() 函数：用来把字符设备编号和 cdev 结构变量一起保存到 cdev_map 这个散列表里 。当后续要打开一个字符设备文件时，通过调用 kobj_lookup() 函数， 根据设备编号就可以找到 cdev 结构变量，从而取出其中的 ops 字段 。
此处只是简单的一个保存过程，并没有将cdev和inode关联起来。
有了这个关联之后，当我们使用mknod 命令，就会创建一个inode节点，并且通过 dev_t将inode和cdev_map里面的cdev联系起来了。
dev_t是联系inode/cdev/device三者的纽带
在创建device设备时，如果定义了dev_t，那么会创建一个inode节点，并且绑定一个默认带有一个file_operations的cdev。
如果针对该dev_t，定义了我们自己的file_operations，再调用cdev_add()，那么就会用自己定义的file_operations替换掉默认的file_operations。
这样，device和cdev以及自己定义的file_operations就关联起来了。
struct class *my_class;
struct cdev my_cdev[N_MINORS];
dev_t dev_num;
static int __init my_init( void )
{
int i;
dev_t curr_dev;
/* Request the kernel for N_MINOR devices */
alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, N_MINORS, "my_driver" );
/* Create a class : appears at /sys/class */
my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_driver_class" );
/* Initialize and create each of the device(cdev) */
for (i = 0; i < N_MINORS; i++) {
/* Associate the cdev with a set of file_operations */
cdev_init(&my_cdev[i], &fops);
/* Build up the current device number. To be used further */
curr_dev = MKDEV(MAJOR(dev_num), MINOR(dev_num) + i);
/* Create a device node for this device. Look, the class is
* being used here. The same class is associated with N_MINOR
* devices. Once the function returns, device nodes will be
* created as /dev/my_dev0, /dev/my_dev1,... You can also view
* the devices under /sys/class/my_driver_class.
*/
device_create (my_class, NULL, curr_dev , NULL, "my_dev%d" , i);
/* Now make the device live for the users to access */
cdev_add (&my_cdev[i], curr_dev , 1);
}
return 0;
}
misdevice
在misdevice的实现中，就将device和cdev关联了起来，并定义自己的file_operations。
因此，misdevice同时具有device的标准设备模型，也定义了自己的file_operations。
按照上面的思路，推测出misdevice的注册过程应该是如下流程：
- 调用核心device注册函数
device_add() - 调用核心cdev注册函数
cdev_add()
但是分析misc_register()函数，发现只调用了device_add()函数，并没有调用cdev_add()，那么自己定义的file_operations是如何和cdev关联起来的呢？
其实misc.c中用了另外一套思路，但是原理是一样的。
创建cdev_map
在misc_init()中， 通过register_chrdev()函数将主设备号为0，次设备号为0-255的所有cdev都通过cdev_add()进行了注册；
也就是说将256个cdev放入到了cdev_map中，然后绑定的file_operations为默认的misc_open操作函数；
static int __init misc_init( void )
{
int err;
if ( register_chrdev (MISC_MAJOR, "misc" ,&misc_fops))
goto fail_printk;
misc_class->devnode = misc_devnode;
return 0;
// ...
}
int __register_chrdev(unsigned int major, unsigned int baseminor,
unsigned int count, const char *name,
const struct file_operations *fops)
{
cd = __register_chrdev_region(major, baseminor, count, name);
cdev = cdev_alloc();
cdev->ops = fops;
err = cdev_add (cdev, MKDEV(cd->major, baseminor), count);
// ...
}
在misc_register中进行链接
当调用misc_register()时，内核通过维护一个 misc_list 链表，misc设备在misc_register注册的时候链接到这个链表。
/**
* misc_register - register a miscellaneous device
* @misc: device structure
*
* Register a miscellaneous device with the kernel. If the minor
* number is set to %MISC_DYNAMIC_MINOR a minor number is assigned
* and placed in the minor field of the structure. For other cases
* the minor number requested is used.
*
* The structure passed is linked into the kernel and may not be
* destroyed until it has been unregistered. By default, an open()
* syscall to the device sets file->private_data to point to the
* structure. Drivers don't need open in fops for this.
*
* A zero is returned on success and a negative errno code for
* failure.
*/
int misc_register( struct miscdevice * misc)
{
dev_t dev;
int err = 0;
INIT_LIST_HEAD(&misc->list);
dev = MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor);
misc->this_device =
device_create_with_groups(misc_class, misc->parent, dev,
misc, misc->groups, "%s" , misc->name);
/*
* Add it to the front, so that later devices can "override"
* earlier defaults
*/
list_add (&misc->list, &misc_list);
}
查找并替换新的file_operations
通过步骤2，可以操作对应dev_t的某个cdev的inode了，但此时的open为绑定的file_operations提供的默认的misc_open；
在此函数中，会根据dev_t在内核的misc_list中进行查找，然后用自己定义的file_operations替换到misc提供的那个默认的file_operations。
static int misc_open( struct inode * inode, struct file * file)
{
int minor = iminor(inode);
struct miscdevice *c;
int err = -ENODEV;
const struct file_operations *new_fops = NULL;
mutex_lock(&misc_mtx);
list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {
if (c->minor == minor) {
new_fops = fops_get(c->fops);
break ;
}
}
if (!new_fops) {
mutex_unlock(&misc_mtx);
request_module( "char-major-%d-%d" , MISC_MAJOR, minor);
mutex_lock(&misc_mtx);
list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {
if (c->minor == minor) {
new_fops = fops_get(c->fops);
break ;
}
}
if (!new_fops)
goto fail;
}
/*
* Place the miscdevice in the file's
* private_data so it can be used by the
* file operations, including f_op->open below
*/
file->private_data = c;
err = 0;
replace_fops(file, new_fops);
if (file->f_op->open)
err = file->f_op->open(inode,file);
fail:
mutex_unlock(&misc_mtx);
return err;
}
因此， miscdevice就是通过上述的步骤，实现了device cdev和自定义 file_operations的关联。
一个简单的小测试
通过命令mknod建立一个misc设备，然后去打开该设备，看下返回值，如下
root@imx6qsabresd:/dev# mknod test c 10 100
root@imx6qsabresd:/dev# cat /dev/test
cat: can't open '/dev/test': No such device
通过上面的分析，我们知道cat时，调用的open函数会最后调到misc_open(),该函数中返回的错误就是 -ENODEV，和看到的现象一致。
通过mknod建立一个设备，主次设备号随便，看下返回值，如下
root@imx6qsabresd:/dev# mknod aaa c 1 0
root@imx6qsabresd:/dev# cat /dev/aaa
cat: can't open '/dev/aaa': No such device or address
通过上面的分析，我们知道，调用的open函数会最后调用到chrdev_open，该函数中返回的错误就是-ENXIO，和看到的错误提示一致。
Linux设备驱动模型下的cdev
通过上面的分析，我们知道当device_add()注册device时，会调用devtmpfs_create_node()
但是这个调用是有个约束条件的， 这个约束条件是device中必须定义了devt这个设备号。
所以，对于很多的平台设备platform_devices（也就是那些在dts文件中定义的devices）,在进行platform_device_add（）时,并不会在/dev下面出现inode节点。
但是i2c控制器，作为一个平台设备，确在/dev下面出现了设备节点，比如/dev/i2c-0 、/dev/i2c-1。
这是什么原因的?分析内核代码，我们发现i2c-dev.c这个文件，其实这个文件就是用来创建/dev/i2c-0这些设备的，它是一个我们熟悉的cdev设备驱动。
i2c_dev_init()函数中使用了一种 内核通知机制，通过回调，在i2cdev_attach_adapter()中创建了一个带devt的device,那么自然会出现/dev/i2c-0节点了。内核通知机制的具体原理没有研究。
Linux设备驱动模型下的eeprom驱动
我们传统的用法是习惯在/dev下注册eeprom设备，也就是所谓的cdev设备，然后操作。
但是内核中用的是基于/sys系统的devices驱动模型，使用这个模型时，我们在dts文件中，在相应的i2c控制器下配置好好，就能在通过/sys文件系统进行访问了。
比如如下的dts配置，我再i2c4下挂了一个eeprom芯片。内核会在初始化时将device于at24的驱动进行绑定（具体过程是dts以及platform设备模型的相关知识）
&i2c4{
eerpom: at24c04@54{
compatible = "24c04";
reg = <0x54>;
status = "okay";
};
};
设备注册成功后，我们能看到如下信息
root@imx6qsabresd:/sys/class/i2c-dev/i2c-3/device/3-0054# ls
driver modalias of_node subsystem eeprom name power uevent
该目录下有很多属性文件，如果我们想读写eeprom，那么我们可以通过操作eeprom这个文件实现读写，这些都是设备驱动模型和sys文件系统的相关知识了。
那么，如果我想基于这个架构，增加一个/dev/eeprom设备，该怎么实现呢？
首先，需要清楚，在内核调用at24_probe()函数之前，eprom作为devices，已经被注册到了系统中（这个过程是内核在解析dts配置文件时自动完成的，不是使用者自己注册的）。
由于在内核注册devices时，并没有分配dev_t这个设备号，所以不会在/dev下面创建设备节点。
在没有设备号的情况下如何在/dev中创建设备
那么现在想创建一个cdev设备，但是这个设备号内核注册时并没有分配给这个device,怎么办？
有两种方案实现：
方案一：注册misc设备
在at24_probe()函数中，直接注册一个misc设备，实现file_operations，从而能够建/dev/eeprom节点。
使用该方法时，需要理解一点，其实你是将eeprom这个芯片注册了两次设备（devices）,一次是作为i2c的下挂的设备，由平台自动注册的；还有一次是自己注册的misc设备。这两个设备都在/sys系统下存在。这两个设备对sys来说是完全独立的，只是因为我们自己将他们的驱动写在了一起实现。
root@imx6qsabresd:/sys/class/i2c-dev/i2c-3/device/3-0054# ls
driver modalias of_node subsystem eeprom name power uevent
root@imx6qsabresd:/sys/devices/virtual/misc/eeprom# ls
dev power subsystem uevent
root@imx6qsabresd:/# ls -al /dev/eeprom
crw------- 1 root root 10, 100 Jan 1 1970 /dev/eeprom
方案二： 手动分配设备号
在at24_probe()函数中，给入参i2c_client里面的device里的dev_t分配一个设备号，然后通过cdev_init()、cdev_add()函数将该设备号与file_operations进行关联，再通过mknod创建节点。
使用此方法，实现了在/sys系统中只注册了一个device，但既能够通过sys系统访问，也能够通过/dev/eeprom设备节点的形式访问了。
下面是自己尝试在at24.c里面增加的代码
static int eeprom_open( struct inode *inode, struct file *filp) {
unsigned int major, minor;
major = imajor(inode);
minor = iminor(inode);
printk( "%s, major = %d, minor = %d!\n" , func, major, minor);
return 0;
}
static ssize_t eeprom_read( struct file *filp, char *buf,
size_t len, loff_t *offset) {
printk( "%s, len = %d\n" , func, len);
return 0;
}
static ssize_t eeprom_write( struct file *filp, const char *buf,
size_t len, loff_t *offset) {
printk( "%s, len = %d\n" , func, len);
return 0;
}
static int eeprom_close( struct inode *inode, struct file *filp) {
printk( "%s\n" , func);
return 0;
}
static struct file_operations eeprom_fops = {
.open = eeprom_open,
.read = eeprom_read,
.write = eeprom_write,
.release = eeprom_close,
};
static int at24_probe( struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id)
{
// ...
/*
* add the char device to system
*/
dev = &client->dev;
dev->devt = MKDEV(100, 0);
err = register_chrdev_region(dev->devt, 1, "eeprom" );
if (err < 0) {
dev_err(&client->dev, "Can't static register chrdev region!\n" );
return err;
}
cdev_init(&eeprom_cdev, &eeprom_fops);
err = cdev_add(&eeprom_cdev, dev->devt, 1);
if (err < 0) {
dev_err(&client->dev, "Can't add char device!\n" );
return err;
}
dev_err(&client->dev, "add char eeprom device!\n" );
return 0;
}
测试如下。
root@imx6qsabresd:/sys/class/i2c-dev/i2c-3/device/3-0054# ls
driver modalias of_node subsystem eeprom name power uevent
root@imx6qsabresd:/# ls -al /dev/eeprom
crw------- 1 root root 100, 0 Jan 1 1970 /dev/eeprom
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