Linux设备驱动-内核如何管理设备号

开篇

本文引用的内核代码参考来自版本 linux-5.15.4 。

在 Linux 系统中，每个注册到系统的设备都有一个编号，这个编号便是 Linux 系统中的设备号。

设备号作为一种系统资源，需要加以管理。否则，如果设备号与驱动程序对应关系错误，就会引起混乱或引起潜在的问题。

通过查看 /proc/devices 文件可以得到系统中注册的设备，第一列为主设备号，第二列为设备名称

$ cat /proc/devices
 
Character devices:
  1 mem
  4 /dev/vc/0
  4 tty
  4 ttyS
  5 /dev/tty
  5 /dev/console
  5 /dev/ptmx
  5 ttyprintk
  6 lp
  7 vcs
 10 misc
 13 input
 21 sg
...
 
Block devices:
  7 loop
  8 sd
  9 md
 11 sr
 65 sd
 66 sd
 ...

设备号的构成

一个设备号由主设备号和次设备号构成。

主设备号对应设备驱动程序，同一类设备一般使用相同的主设备号。

次设备号由驱动程序使用，驱动程序用来描述使用该驱动的设备的序号，序号一般从 0 开始。

Linux 设备号用 dev_t 类型的变量进行标识，这是一个 32位 无符号整数，内核源码定义为：

/* <include/linux/types.h> */
 
typedef u32 __kernel_dev_t;
typedef __kernel_dev_t		dev_t;

主设备号用 dev_t 的高 12 位表示，次设备号用 dev_t 低 20 位表示。

内核提供了几个宏定义，供驱动程序操作设备号时使用：

/* <include/linux/kdev_t.h> */
 
#define MINORBITS	20
#define MINORMASK	((1U << MINORBITS) - 1)
 
#define MAJOR(dev)	((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev)	((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi)	(((ma) << MINORBITS) | (mi))

宏 MAJOR 从设备号 dev 中提取主设备号。宏 MINOR 用来从设备号 dev 中提取次设备号。宏 MKDEV 用来将主设备号 ma 和 次设备号 mi 组合成 dev_t 类型的设备号。

另外，内核也提供了从设备文件 i-节点结构（inode 结构体）中获取主次设备号的函数，如下：

/* <include/linux/fs.h> */
 
/* 获取次设备号 */
static inline unsigned iminor(const struct inode *inode)
{
	return MINOR(inode->i_rdev);
}
 
/* 获取主设备号 */
static inline unsigned imajor(const struct inode *inode)
{
	return MAJOR(inode->i_rdev);
}

通过函数源码可知，获取主设备号和次设备号最终是通过宏定义完成的。

内核管理设备号

以字符设备为例，向内核中注册设备号，内核是如何分配和管理设备号的呢？

在编写字符设备驱动时，可以通过如下两个系统调用向内核注册设备号：

  • register_chrdev_region()

注册一系列连续的字符设备号，主设备号需要函数调用者指定。此函数的原型为：

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)

参数 from 为设备编号，包含主设备号和次设备号。参数 count 用于指定连续设备号的个数，即当前驱动程序所管理的同类设备的个数。参数 name 为设备或驱动的名字。

执行成功，返回 0。失败，则返回一个负值的错误码。

  • alloc_chrdev_region()

注册一系列连续的字符设备号，主设备号是由内核动态分配得到的。此函数的原型为：

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)

参数 dev 为函数的传出参数，用于记录动态分配的设备号，如果申请多个设备号，则此参数记录这些连续设备号的起始值。

参数 baseminor 指定首个次设备号。参数 count 用于指定连续设备号的个数。参数 name 为设备或驱动的名字。

执行成功，返回 0。失败，则返回一个负值的错误码。

接下来，看看这两个函数的内部实现流程。

register_chrdev_region()

该函数的内核源码为，关键部分已加注释：

/* <fs.char_dev.c> */
 
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
{
	struct char_device_struct *cd;
	dev_t to = from + count;
	dev_t n, next;
 
	/* 循环，注册多个连续的设备号 */
	for (n = from; n < to; n = next) 
	{
		/* 计算得到下一个设备号 */
		next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);
		/* 判断是否超限 */
		if (next > to)
			next = to;
		/* 向内核注册指定的设备号 */
		cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n, name);
		if (IS_ERR(cd))
			goto fail;
	}
	return 0;
fail:
	/* 如果失败，则释放已申请的设备号资源 */
	to = n;
	for (n = from; n < to; n = next) 
	{
		next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);
		kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n));
	}
	return PTR_ERR(cd);
}

由代码内容可知，这个函数的核心处理流程是通过内部调用 __register_chrdev_region()实现的。

这个函数的主要功能是，将要使用的设备号注册到内核的设备号管理体系中，避免多个驱动程序使用相同的设备号，而引起的混乱。

如果注册设备号已经被使用，则会返回错误码告知调用者，即调用失败。如果成功，则函数返回 0。

struct char_device_struct

在调用过程中，会涉及到一个关键的数据结构 struct char_device_struct，其定义如下：

#define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 255
 
static struct char_device_struct {
	struct char_device_struct *next;  /* 链表指针 */
	unsigned int major;  /* 主设备号 */
	unsigned int baseminor;  /* 次设备号 */
	int minorct;   /* 此设备号个数 */
	char name[64];  /* 设备名称 */
	struct cdev *cdev;		/* will die */
} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

定义结构体的同时，还定义了一个全局性的指针数组 chrdevs，是内核用来分配和管理设备号的。数组中的每一个元素都是指向 struct char_device_struct 类型的指针。

函数 register_chrdev_region() 的主要功能是将驱动程序要使用的设备号记录到 chrdevs 数组中。

__register_chrdev_region()

核心处理函数 __register_chrdev_region() 内部，首先会分配一个 struct char_device_struct 类型的指针 cd，然后对其进行初始化（已经去除无关代码）：

static struct char_device_struct *
__register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor,
			   int minorct, const char *name)
{
	...
	cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL);
	if (cd == NULL)
		return ERR_PTR(-ENOMEM);
	
	/* 根据主设备号计算索引，搜索 chrdevs 数组，判断主设备号是否可用 */
	i = major_to_index(major);
	for (curr = chrdevs[i]; curr; prev = curr, curr = curr->next) 
	{
		if (curr->major < major)
			continue;
		if (curr->major > major)
			break;
		if (curr->baseminor + curr->minorct <= baseminor)
			continue;
		if (curr->baseminor >= baseminor + minorct)
			break;
		goto out;
	}
	/* 初始化信息 */
	cd->major = major;
	cd->baseminor = baseminor;
	cd->minorct = minorct;
	strlcpy(cd->name, name, sizeof(cd->name));
	
	/* 将分配的 cd 加入到 chrdevs[i] 中 */
	if (!prev) {
		cd->next = curr;
		chrdevs[i] = cd;
	} else {
		cd->next = prev->next;
		prev->next = cd;
	}
	...
}

函数申请完内存资源后，开始扫描 chrdevs 数组，确保当前注册的设备号可用。如果设备号占用，函数返回错误码，即调用失败。

如果设备号可用，则用设备号和名字信息初始化。初始化完成后，将 struct char_device_struct 加入到内核管理设备号的链表中。

alloc_chrdev_region()

此函数由内核动态分配设备号，该函数的内核源码如下，关键部分已加注释：

/* <fs.char_dev.c> */
 
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,
			const char *name)
{
	struct char_device_struct *cd;
	
	/* 向内核注册设备号 */
	cd = __register_chrdev_region(0, baseminor, count, name);
	if (IS_ERR(cd))
		return PTR_ERR(cd);
	
	/* 得到动态获取的首个设备号 */
	*dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor);
	return 0;
}

这个函数的核心处理也是由函数 __register_chrdev_region() 实现的。

与 register_chrdev_region() 相比，alloc_chrdev_region() 在调用 __register_chrdev_region() 时，第一个参数为 0。此时 __register_chrdev_region() 处理流程代码如下，

static struct char_device_struct *
__register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor,
			   int minorct, const char *name)
{
	...
	cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL);
	if (cd == NULL)
		return ERR_PTR(-ENOMEM);
	
	/* 查找可用的主设备号 */
	f (major == 0) {
		ret = find_dynamic_major();
		if (ret < 0) {
			pr_err("CHRDEV \"%s\" dynamic allocation region is full\n",
			       name);
			goto out;
		}
		major = ret;
	}
	...
}

在分配完成 struct char_device_struct 内存资源之后，通过 find_dynamic_major() 查找可用的主设备号。后续处理与 register_chrdev_region() 函数调用处理相同。

设备号分配成功后，将 struct char_device_struct 类型指针返回给 alloc_chrdev_region() 函数。然后再通过如下代码将新分配的设备号返回给 alloc_chrdev_region() 调用者：

*dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor);

小结

本文主要介绍了以下几点内容：

  • 设备号是如何构成的，以及对其操作的宏定义。
  • register_chrdev_region() 和 alloc_chrdev_region() 实现细节。
  • 记录设备号相关信息的关键数据结构 struct char_device_struct。
  • 内核通过 chrdevs 数组来跟踪系统中设备号的使用情况。

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