char device driver总结

概览：
    第一步：注册设备号                                              信息#tail -f /var/log/message
        注册函数：
            register_chrdev_region() 或                             查看#lsmod
            alloc_chrdev_region()    或                             查看#cat /proc/devices
            register_chrdev()
        注销函数：
            unregist_chrdev_region() 或
            unregister_chrdev()
   
    第二步：初始化cdev并添加到系统
        初始化cdev
            静态初始化 cdev_init() 或
            动态初始化 cdev_alloc()
        添加到系统函数
            cdev_add()
        从系统删除函数
            cdev_del()
           
    第三步：创建设备节点
        创建类
            class_create()          将放于/sysfs                    查看#ls /sys/class
        删除类
            class_destroy()
       
        创建节点
            device_create() 或 class_device_create()  将存放于/dev  查看#ls /dev
        删除节点
            device_destroy() 或 class_device_destroy()
   
    第四步：简单示例

/***************************************************************************************************
                                   第一步：注册设备号
***************************************************************************************************/
Linux内核中所有已分配的字符设备编号都记录在一个名为 chrdevs 散列表里。
    该散列表中的每一个元素是一个 char_device_struct 结构，它的定义如下：

  

static struct char_device_struct    {        struct char_device_struct *next;    // 指向散列冲突链表中的下一个元素的指针        unsigned    int major;              // 主设备号        unsigned    int baseminor;          // 起始次设备号        int minorct;                        // 设备编号的范围大小        char    name[64];                   // 处理该设备编号范围内的设备驱动的名称        struct file_operations *fops;       // 没有使用        struct cdev *cdev;                  // 指向字符设备驱动程序描述符的指针    }*chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

  

    1 每一个主设备有一个会分配一个此结构，可以有多个次设备号。次设备是依次递增的。
    2 内核提供了5个函数来来管理字符设备编号。
   
            register_chrdev_region()        指定初始值
            alloc_chrdev_region()           动态分配
            register_chrdev()               指定设备号
            他们都会调用 __register_chrdev_region() 来注册一组设备编号范围(一个char_device_struct结构),我们使用其中一个即可。
           
            unregist_chrdev_region()        释放都用此函数
            unregister_chrdev()             都调用了 __unregister_chrdev_region() 来注销设备

        注册：
               register_chrdev_region(dev_t first,unsigned int count,char *name)
                first :要分配的设备编号范围的初始值(次设备号常设为0);
                count :连续编号范围.
                Name  :编号相关联的设备名称. (/proc/devices);

            int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned int firstminor,unsigned int count,char *name);
                *dev        :存放返回的设备号
                firstminor  :第一个次设备号的号数,常为0;

            int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops)
                major ：要注册的设备号， 若为0则自动分配一个
                name  ：设备名
                *fops ：以后再聊

        释放:
            void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);
            void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
    3 详细分析

       

/** * register_chrdev_region() - register a range of device numbers * @from: the first in the desired range of device numbers; must include *        the major number. * @count: the number of consecutive device numbers required * @name: the name of the device or driver. * * Return value is zero on success, a negative error code on failure. */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; ／＊＊    这个for循环主要是判断次设备号是否超过下一个主设备号。    如果超过（next<to)那么就只申请next－n个次设备号，也就是说，只申请一个主设备号对应的最大的次设备号的数量。    如果没有超过（next>to),那么就是申请用户穿过来的次设备数量，还是next-n，但是这个next＝to的    其实这里可以不用for循环写的，这里的for循环也只执行了一次    还就是char dev主设备号和次设备号的大小又一个宏来控制，有8|8型也有12|20型＊／       for (n = from; n < to; n = next) {next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);if (next > to)next = to;cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n),       next - n, name);if (IS_ERR(cd))goto fail;}return 0;fail: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);}

/* * Register a single major with a specified minor range. * * If major == 0 this functions will dynamically allocate a major and return * its number. * * If major > 0 this function will attempt to reserve the passed range of * minors and will return zero on success. * * Returns a -ve errno on failure. */static struct char_device_struct * __register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor,int minorct, const char *name){struct char_device_struct *cd, **cp;int ret = 0;int i;cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL);if (cd == NULL)return ERR_PTR(-ENOMEM);mutex_lock(&chrdevs_lock);/* temporary */if (major == 0) {for (i = ARRAY_SIZE(chrdevs)-1; i > 0; i--) {if (chrdevs[i] == NULL)break;}if (i == 0) {ret = -EBUSY;goto out;}major = i;ret = major;}cd->major = major;cd->baseminor = baseminor;cd->minorct = minorct;strlcpy(cd->name, name, sizeof(cd->name));i = major_to_index(major);for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next)if ((*cp)->major > major ||    ((*cp)->major == major &&     (((*cp)->baseminor >= baseminor) ||      ((*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor))))break;/* Check for overlapping minor ranges.  */if (*cp && (*cp)->major == major) {int old_min = (*cp)->baseminor;int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct - 1;int new_min = baseminor;int new_max = baseminor + minorct - 1;/* New driver overlaps from the left.  */if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) {ret = -EBUSY;goto out;}/* New driver overlaps from the right.  */if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) {ret = -EBUSY;goto out;}}cd->next = *cp;*cp = cd;mutex_unlock(&chrdevs_lock);return cd;out:mutex_unlock(&chrdevs_lock);kfree(cd);return ERR_PTR(ret);}

函数 __register_chrdev_region() 主要执行以下步骤：
1. 分配一个新的 char_device_struct 结构，并用 0 填充。
2. 如果申请的设备编号范围的主设备号为 0，那么表示设备驱动程序请求动态分配一个主设备号。动态分配主设备号的原则是从散列表的最后一个桶向前寻找，那个桶是空的，主设备号就是相应散列桶的序号。所以动态分配的主设备号总是小于 256，如果每个桶都有字符设备编号了，那动态分配就会失败。
3. 根据参数设置 char_device_struct 结构中的初始设备号，范围大小及设备驱动名称。
4. 计算出主设备号所对应的散列桶，为新的 char_device_struct 结构寻找正确的位置。同时，如果设备编号范围有重复的话，则出错返回。
5. 将新的 char_device_struct 结构插入散列表中，并返回 char_device_struct 结构的地址。

所有的字符设备驱动描述都放在chrdevs这个数组中。
static struct char_device_struct {
    struct char_device_struct *next;
    unsigned int major;
    unsigned int baseminor;
    int minorct;
    char name[64];
    struct cdev *cdev;        /* will die */
} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

    4 参考：感谢原著 (有此6个函数的源码及解说)。
        http://blog.csdn.net/iLetLet/article/details/6180314

/***************************************************************************************************
                            第二步：初始化 cdev 并添加到系统
***************************************************************************************************/
1.内核中每个字符设备都对应一个 cdev 结构的变量，定义如下：
    linux-2.6.22/include/linux/cdev.h
    struct cdev
    {
        struct kobject kobj;                //每个 cdev 都是一个 kobject
        struct module *owner;               //指向实现驱动的模块
        const struct file_operations *ops;  //操纵这个字符设备文件的方法
        struct list_head list;              //与 cdev 对应的字符设备文件的 inode->i_devices 的链表头
        dev_t dev;                          //起始设备编号
        unsigned int count;                 //设备范围号大小
    };

2. 初始化cdev ：有两种定义初始化方式：
   
    方式1：静态内存定义初始化：
        struct cdev my_cdev;
        cdev_init(&my_cdev, &fops);
        my_cdev.owner = THIS_MODULE;
       
    方式2：动态内存定义初始化：
        struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();
        my_cdev->ops = &fops;
        my_cdev->owner = THIS_MODULE;

    下面是2函数的具体代码：
    

   struct cdev *cdev_alloc(void)       //它主要完成了空间的申请和简单的初始化操作；        {            struct cdev *p = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);            if (p)            {                INIT_LIST_HEAD(&p->list);                kobject_init(&p->kobj, &ktype_cdev_dynamic);            }            return p;        }           void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)        {              memset(cdev, 0, sizeof *cdev);  //主要是对空间起到一个清零作用并较之cdev_alloc多了一个ops的赋值操作            INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);            kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);            cdev->ops = fops;        }

3. 添加cdev到系统
    为此可以调用 cdev_add() 函数。传入cdev结构的指针，起始设备编号，以及设备编号范围。
    int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
    {
        p->dev = dev;
        p->count = count;
        return kobj_map(cdev_map, dev, count, NULL, exact_match, exact_lock, p);
    }

    释放时使用 cdev_del()函数来释放cdev占用的内存。
    void cdev_del(struct cdev *p)
    {
        cdev_unmap(p->dev, p->count);   //释放 cdev_map 散列表中的对象
        kobject_put(&p->kobj);          //释放 cdev 结构本身。
    }

4.关于kobject_init() kobj_map()
    内核中所有都字符设备都会记录在一个 kobj_map 结构的 cdev_map 变量中。
    这个结构的变量中包含一个散列表用来快速存取所有的对象。
    kobj_map() 函数就是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。

/***************************************************************************************************
                            第三步：创建设备节点
***************************************************************************************************/
    方法一：利用mknod命令手动创建设备节点。
    方法二：实际上Linux内核为我们提供了一组函数,可以在模块加载的时候在/dev目录下创建相应设备节点,在卸载时可删除该节点。

    原理：
        1 内核中定义了struct class结构体，它对应一个类。
        2 先调用class_create()函数，可以用它来创建一个类，这个类将存放于sysfs下面.
        3 再调用device_create()函数，从而在/dev目录下创建相应的设备节点。
        4 卸载模块对应的函数是 device_destroy 和 class_destroy()
        注：2.6 以后的版本使用device_create(),之前的版本使用的class_device_create()。

    详解：      

     

 1:class结构：            include/linux/device.h            struct class            {                const   char        *name;                struct module       *owner;                struct kset         subsys;                struct list_head    devices;                struct list_head    interfaces;                struct kset         class_dirs;                struct semaphore sem;       /* locks    children, devices, interfaces */                struct class_attribute  *class_attrs;                struct device_attribute *dev_attrs;                   int    (*dev_uevent)   (struct device *dev,struct kobj_uevent_env *env);                void   (*class_release)(struct class *class);                void   (*dev_release)  (struct device   *dev);                int    (*suspend)      (struct  device *dev, pm_message_t state);                int    (*resume)       (struct device *dev);            };        2:class_create()            class_create()在/drivers/base/class.c中实现：            struct class    *class_create(struct module *owner, //  指定类的所有者是哪个模块                                          const char *name)     //  指定类名            {                struct class *cls;                int retval;                cls =   kzalloc(sizeof(*cls), GFP_KERNEL);                if (!cls)                {                    retval =    -ENOMEM;                    goto    error;                }                       cls->name   = name;                cls->owner = owner;                cls->class_release = class_create_release;                       retval = class_register(cls);                if (retval)                   goto error;                return cls;                error:                    kfree(cls);                    return ERR_PTR(retval);            }                   3:device_create()函数在/drivers/base/core.c中实现：            struct device *device_create(struct class *class,   //指定所要创建的设备所从属的类                                        struct devicev *parent, //这个设备的父设备,如果没有就指定为NULL                                        dev_t devt,             //设备号                                        const char *fmt,        //设备名称                                        ...)                    //从设备号            {                va_list vargs;                struct  device *dev;                va_start(vargs, fmt);                dev = device_create_vargs(class, parent, devt,  NULL, fmt, vargs);                va_end(vargs);                return  dev;            }

/***************************************************************************************************
                                   第四步：例子
***************************************************************************************************/

#include <linux/module.h>#include <linux/kernel.h>#include <linux/init.h>#include <linux/fs.h>#include <linux/cdev.h>#include <linux/device.h>int hello_major = 555;int hello_minor = 0;int number_of_devices = 1;struct cdev cdev;dev_t dev = 0;struct file_operations hello_fops = { .owner = THIS_MODULE };static void char_reg_setup_cdev(void) {int error, devno = MKDEV(hello_major, hello_minor);cdev_init(&cdev, &hello_fops);cdev.owner = THIS_MODULE;cdev.ops = &hello_fops;error = cdev_add(&cdev, devno, 1);if (error)printk (KERN_NOTICE "Error %d adding char_reg_setup_cdev", error);}struct class *my_class;static int __init hello_2_init (void){int result;struct device *dev;dev = MKDEV (hello_major, hello_minor);result = register_chrdev_region (dev, number_of_devices, "hello");if (result<0) {printk (KERN_WARNING "hello: can't get major number %d/n", hello_major);return result;}char_reg_setup_cdev ();/* create your own class under /sysfs */my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_class");if(IS_ERR(my_class)){printk("Err: failed in creating class./n");return -1;}/* register your own device in sysfs, and this will cause udev to create corresponding device node */dev=device_create( my_class, NULL, MKDEV(hello_major, 0), "hello" "%d", 0 );if(dev==NULL)printk("<5>create device error!!!!\n");printk (KERN_INFO "Registered character driver/n");return 0;}static void __exit hello_2_exit (void){dev_t devno = MKDEV (hello_major, hello_minor);cdev_del (&cdev);device_destroy(my_class, MKDEV(hello_major, 0)); //delete device node under /devclass_destroy(my_class); //delete class created by usunregister_chrdev_region (devno, number_of_devices);printk (KERN_INFO "char driver cleaned up/n");}module_init( hello_2_init);module_exit( hello_2_exit);MODULE_LICENSE ("GPL");