Linux驱动修炼之道-混杂设备
2017-09-26 16:55
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在Linux驱动中把无法归类的五花八门的设备定义为混杂设备(用miscdevice结构体表述)。miscdevice共享一个主设备号MISC_MAJOR(即10)，但次设备号不同。
所有的miscdevice设备形成了一个链表，对设备访问时内核根据次设备号查找对应的miscdevice设备，然后调用其file_operations结构中注册的文件操作接口进行操作。 在内核中用struct miscdevice表示miscdevice设备，然后调用其file_operations结构中注册的文件操作接口进行操作。miscdevice的API实现在drivers/char/misc.c中。
下边是描述这个设备的结构体：
C-sharp代码
struct miscdevice {
int minor; //次设备号
const char *name; //设备的名称
const struct file_operations *fops; //文件操作
struct list_head list; //misc_list的链表头
struct device *parent; //父设备(Linux设备模型中的东东了，哈哈)
struct device *this_device; //当前设备，是device_create的返回值，下边会看到
};
然后来看看misc子系统的初始化函数：
C-sharp代码
static int __init misc_init(void)
{
int err;
#ifdef CONFIG_PROC_FS
/*创建一个proc入口项*/
proc_create("misc", 0, NULL, &misc_proc_fops);
#endif
/*在/sys/class/目录下创建一个名为misc的类*/
misc_class = class_create(THIS_MODULE, "misc");
err = PTR_ERR(misc_class);
if (IS_ERR(misc_class))
goto fail_remove;
err = -EIO;
/*注册设备，其中设备的主设备号为MISC_MAJOR，为10。设备名为misc，misc_fops是操作函数的集合*/
if (register_chrdev(MISC_MAJOR,"misc",&misc_fops))
goto fail_printk;
return 0;
fail_printk:
printk("unable to get major %d for misc devices/n", MISC_MAJOR);
class_destroy(misc_class);
fail_remove:
remove_proc_entry("misc", NULL);
return err;
}
/*misc作为一个子系统被注册到linux内核中*/
subsys_initcall(misc_init);
下边是register_chrdev函数的实现：
C-sharp代码
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
const struct file_operations *fops)
{
struct char_device_struct *cd;
struct cdev *cdev;
char *s;
int err = -ENOMEM;
/*主设备号是10，次设备号为从0开始，分配256个设备*/
cd = __register_chrdev_region(major, 0, 256, name);
if (IS_ERR(cd))
return PTR_ERR(cd);
/*分配字符设备*/
cdev = cdev_alloc();
if (!cdev)
goto out2;
cdev->owner = fops->owner;
cdev->ops = fops;
/*Linux设备模型中的,设置kobject的名字*/
kobject_set_name(&cdev->kobj, "%s", name);
for (s = strchr(kobject_name(&cdev->kobj),'/'); s; s = strchr(s, '/'))
*s = '!';
/*把这个字符设备注册到系统中*/
err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, 0), 256);
if (err)
goto out;
cd->cdev = cdev;
return major ? 0 : cd->major;
out:
kobject_put(&cdev->kobj);
out2:
kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, 0, 256));
return err;
}
来看看这个设备的操作函数的集合：
C-sharp代码
static const struct file_operations misc_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = misc_open,
};
可以看到这里只有一个打开函数，用户打开miscdevice设备是通过主设备号对应的打开函数，在这个函数中找到次设备号对应的相应的具体设备的open函数。它的实现如下：
C-sharp代码
static int misc_open(struct inode * inode, struct file * file)
{
int minor = iminor(inode);
struct miscdevice *c;
int err = -ENODEV;
const struct file_operations *old_fops, *new_fops = NULL;
lock_kernel();
mutex_lock(&misc_mtx);
/*找到次设备号对应的操作函数集合，让new_fops指向这个具体设备的操作函数集合*/
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);
/*如果没有找到，则请求加载这个次设备号对应的模块*/
request_module("char-major-%d-%d", MISC_MAJOR, minor);
mutex_lock(&misc_mtx);
/*重新遍历misc_list链表，如果没有找到就退出，否则让new_fops指向这个具体设备的操作函数集合*/
list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {
if (c->minor == minor) {
new_fops = fops_get(c->fops);
break;
}
}
if (!new_fops)
goto fail;
}
err = 0;
/*保存旧打开函数的地址*/
old_fops = file->f_op;
/*让主设备号的操作函数集合指针指向具体设备的操作函数集合*/
file->f_op = new_fops;
if (file->f_op->open) {
/*使用具体设备的打开函数打开设备*/
err=file->f_op->open(inode,file);
if (err) {
fops_put(file->f_op);
file->f_op = fops_get(old_fops);
}
}
fops_put(old_fops);
fail:
mutex_unlock(&misc_mtx);
unlock_kernel();
return err;
}
再来看看misc子系统对外提供的两个重要的API,misc_register,misc_deregister：
C-sharp代码
int misc_register(struct miscdevice * misc)
{
struct miscdevice *c;
dev_t dev;
int err = 0;
/*初始化misc_list链表*/
INIT_LIST_HEAD(&misc->list);
mutex_lock(&misc_mtx);
/*遍历misc_list链表，看这个次设备号以前有没有被用过，如果次设备号已被占有则退出*/
list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {
if (c->minor == misc->minor) {
mutex_unlock(&misc_mtx);
return -EBUSY;
}
}
/*看是否是需要动态分配次设备号*/
if (misc->minor == MISC_DYNAMIC_MINOR) {
/*
*#define DYNAMIC_MINORS 64 /* like dynamic majors */
*static unsigned char misc_minors[DYNAMIC_MINORS / 8];
*这里存在一个次设备号的位图，一共64位。下边是遍历每一位，
*如果这位为0，表示没有被占有，可以使用，为1表示被占用。
*/
int i = DYNAMIC_MINORS;
while (--i >= 0)
if ( (misc_minors[i>>3] & (1 << (i&7))) == 0)
break;
if (i<0) {
mutex_unlock(&misc_mtx);
return -EBUSY;
}
/*得到这个次设备号*/
misc->minor = i;
}
/*设置位图中相应位为1*/
if (misc->minor < DYNAMIC_MINORS)
misc_minors[misc->minor >> 3] |= 1 << (misc->minor & 7);
/*计算出设备号*/
dev = MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor);
/*在/dev下创建设备节点，这就是有些驱动程序没有显式调用device_create，却出现了设备节点的原因*/
misc->this_device = device_create(misc_class, misc->parent, dev, NULL,
"%s", misc->name);
if (IS_ERR(misc->this_device)) {
err = PTR_ERR(misc->this_device);
goto out;
}
/*
* Add it to the front, so that later devices can "override"
* earlier defaults
*/
/*将这个miscdevice添加到misc_list链表中*/
list_add(&misc->list, &misc_list);
out:
mutex_unlock(&misc_mtx);
return err;
}
这个是miscdevice的卸载函数：
C-sharp代码
int misc_deregister(struct miscdevice *misc)
{
int i = misc->minor;
if (list_empty(&misc->list))
return -EINVAL;
mutex_lock(&misc_mtx);
/*在misc_list链表中删除miscdevice设备*/
list_del(&misc->list);
/*删除设备节点*/
device_destroy(misc_class, MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor));
if (i < DYNAMIC_MINORS && i>0) {
/*释放位图相应位*/
misc_minors[i>>3] &= ~(1 << (misc->minor & 7));
}
mutex_unlock(&misc_mtx);
return 0;
}
总结一下miscdevice驱动的注册和卸载流程：
misc_register:
匹配次设备号->找到一个没有占用的次设备号(如果需要动态分配的话)->计算设号->创建设备文-
miscdevice结构体添加到misc_list链表中。
misc_deregister:
从mist_list中删除miscdevice->删除设备文件->位图位清零。
在Linux驱动中把无法归类的五花八门的设备定义为混杂设备(用miscdevice结构体表述)。miscdevice共享一个主设备号MISC_MAJOR(即10)，但次设备号不同。
所有的miscdevice设备形成了一个链表，对设备访问时内核根据次设备号查找对应的miscdevice设备，然后调用其file_operations结构中注册的文件操作接口进行操作。 在内核中用struct miscdevice表示miscdevice设备，然后调用其file_operations结构中注册的文件操作接口进行操作。miscdevice的API实现在drivers/char/misc.c中。
下边是描述这个设备的结构体：
C-sharp代码
struct miscdevice {
int minor; //次设备号
const char *name; //设备的名称
const struct file_operations *fops; //文件操作
struct list_head list; //misc_list的链表头
struct device *parent; //父设备(Linux设备模型中的东东了，哈哈)
struct device *this_device; //当前设备，是device_create的返回值，下边会看到
};
然后来看看misc子系统的初始化函数：
C-sharp代码
static int __init misc_init(void)
{
int err;
#ifdef CONFIG_PROC_FS
/*创建一个proc入口项*/
proc_create("misc", 0, NULL, &misc_proc_fops);
#endif
/*在/sys/class/目录下创建一个名为misc的类*/
misc_class = class_create(THIS_MODULE, "misc");
err = PTR_ERR(misc_class);
if (IS_ERR(misc_class))
goto fail_remove;
err = -EIO;
/*注册设备，其中设备的主设备号为MISC_MAJOR，为10。设备名为misc，misc_fops是操作函数的集合*/
if (register_chrdev(MISC_MAJOR,"misc",&misc_fops))
goto fail_printk;
return 0;
fail_printk:
printk("unable to get major %d for misc devices/n", MISC_MAJOR);
class_destroy(misc_class);
fail_remove:
remove_proc_entry("misc", NULL);
return err;
}
/*misc作为一个子系统被注册到linux内核中*/
subsys_initcall(misc_init);
下边是register_chrdev函数的实现：
C-sharp代码
int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
const struct file_operations *fops)
{
struct char_device_struct *cd;
struct cdev *cdev;
char *s;
int err = -ENOMEM;
/*主设备号是10，次设备号为从0开始，分配256个设备*/
cd = __register_chrdev_region(major, 0, 256, name);
if (IS_ERR(cd))
return PTR_ERR(cd);
/*分配字符设备*/
cdev = cdev_alloc();
if (!cdev)
goto out2;
cdev->owner = fops->owner;
cdev->ops = fops;
/*Linux设备模型中的,设置kobject的名字*/
kobject_set_name(&cdev->kobj, "%s", name);
for (s = strchr(kobject_name(&cdev->kobj),'/'); s; s = strchr(s, '/'))
*s = '!';
/*把这个字符设备注册到系统中*/
err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, 0), 256);
if (err)
goto out;
cd->cdev = cdev;
return major ? 0 : cd->major;
out:
kobject_put(&cdev->kobj);
out2:
kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, 0, 256));
return err;
}
来看看这个设备的操作函数的集合：
C-sharp代码
static const struct file_operations misc_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = misc_open,
};
可以看到这里只有一个打开函数，用户打开miscdevice设备是通过主设备号对应的打开函数，在这个函数中找到次设备号对应的相应的具体设备的open函数。它的实现如下：
C-sharp代码
static int misc_open(struct inode * inode, struct file * file)
{
int minor = iminor(inode);
struct miscdevice *c;
int err = -ENODEV;
const struct file_operations *old_fops, *new_fops = NULL;
lock_kernel();
mutex_lock(&misc_mtx);
/*找到次设备号对应的操作函数集合，让new_fops指向这个具体设备的操作函数集合*/
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);
/*如果没有找到，则请求加载这个次设备号对应的模块*/
request_module("char-major-%d-%d", MISC_MAJOR, minor);
mutex_lock(&misc_mtx);
/*重新遍历misc_list链表，如果没有找到就退出，否则让new_fops指向这个具体设备的操作函数集合*/
list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {
if (c->minor == minor) {
new_fops = fops_get(c->fops);
break;
}
}
if (!new_fops)
goto fail;
}
err = 0;
/*保存旧打开函数的地址*/
old_fops = file->f_op;
/*让主设备号的操作函数集合指针指向具体设备的操作函数集合*/
file->f_op = new_fops;
if (file->f_op->open) {
/*使用具体设备的打开函数打开设备*/
err=file->f_op->open(inode,file);
if (err) {
fops_put(file->f_op);
file->f_op = fops_get(old_fops);
}
}
fops_put(old_fops);
fail:
mutex_unlock(&misc_mtx);
unlock_kernel();
return err;
}
再来看看misc子系统对外提供的两个重要的API,misc_register,misc_deregister：
C-sharp代码
int misc_register(struct miscdevice * misc)
{
struct miscdevice *c;
dev_t dev;
int err = 0;
/*初始化misc_list链表*/
INIT_LIST_HEAD(&misc->list);
mutex_lock(&misc_mtx);
/*遍历misc_list链表，看这个次设备号以前有没有被用过，如果次设备号已被占有则退出*/
list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {
if (c->minor == misc->minor) {
mutex_unlock(&misc_mtx);
return -EBUSY;
}
}
/*看是否是需要动态分配次设备号*/
if (misc->minor == MISC_DYNAMIC_MINOR) {
/*
*#define DYNAMIC_MINORS 64 /* like dynamic majors */
*static unsigned char misc_minors[DYNAMIC_MINORS / 8];
*这里存在一个次设备号的位图，一共64位。下边是遍历每一位，
*如果这位为0，表示没有被占有，可以使用，为1表示被占用。
*/
int i = DYNAMIC_MINORS;
while (--i >= 0)
if ( (misc_minors[i>>3] & (1 << (i&7))) == 0)
break;
if (i<0) {
mutex_unlock(&misc_mtx);
return -EBUSY;
}
/*得到这个次设备号*/
misc->minor = i;
}
/*设置位图中相应位为1*/
if (misc->minor < DYNAMIC_MINORS)
misc_minors[misc->minor >> 3] |= 1 << (misc->minor & 7);
/*计算出设备号*/
dev = MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor);
/*在/dev下创建设备节点，这就是有些驱动程序没有显式调用device_create，却出现了设备节点的原因*/
misc->this_device = device_create(misc_class, misc->parent, dev, NULL,
"%s", misc->name);
if (IS_ERR(misc->this_device)) {
err = PTR_ERR(misc->this_device);
goto out;
}
/*
* Add it to the front, so that later devices can "override"
* earlier defaults
*/
/*将这个miscdevice添加到misc_list链表中*/
list_add(&misc->list, &misc_list);
out:
mutex_unlock(&misc_mtx);
return err;
}
这个是miscdevice的卸载函数：
C-sharp代码
int misc_deregister(struct miscdevice *misc)
{
int i = misc->minor;
if (list_empty(&misc->list))
return -EINVAL;
mutex_lock(&misc_mtx);
/*在misc_list链表中删除miscdevice设备*/
list_del(&misc->list);
/*删除设备节点*/
device_destroy(misc_class, MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor));
if (i < DYNAMIC_MINORS && i>0) {
/*释放位图相应位*/
misc_minors[i>>3] &= ~(1 << (misc->minor & 7));
}
mutex_unlock(&misc_mtx);
return 0;
}
总结一下miscdevice驱动的注册和卸载流程：
misc_register:
匹配次设备号->找到一个没有占用的次设备号(如果需要动态分配的话)->计算设号->创建设备文-
miscdevice结构体添加到misc_list链表中。
misc_deregister:
从mist_list中删除miscdevice->删除设备文件->位图位清零。
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