1、前言
众所周知,Linux
内核主要包括三种驱动模型,字符设备驱动,块设备驱动以及网络设备驱动。
其中,Linux
字符设备驱动,可以说是Linux
驱动开发中最常见的一种驱动模型。
我们该系列文章,主要为了帮助大家快速入门Linux
驱动开发,该篇主要来了解一些字符设备驱动的框架和机制。
系列文章基于
Kernel 4.19
2、关键数据结构
2.1 cdev
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;
结构体名称 :cdev
文件位置 :include/linux/cdev.h
主要作用 :cdev
可以理解为char device
,用来抽象一个字符设备。
核心成员及含义 :
-
kobj
:表示一个内核对象。 -
owner
:指向该模块的指针 -
ops
:指向文件操作的指针,包括open
、read
、write
等操作接口 -
list
:用于将该设备加入到内核模块链表中 -
dev
:设备号,由主设备号和次设备号构成 -
count
:表示有多少个同类型设备,也间接表示设备号的范围 -
__randomize_layout
:一个编译器指令,用于随机化结构体的布局,以增加安全性。
2.2 file_operations
struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
unsigned long mmap_supported_flags;
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
int (*fasync) (int, struct file *, int);
int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
int (*check_flags)(int);
int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
loff_t len);
void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMU
unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,
loff_t, size_t, unsigned int);
int (*clone_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t,
u64);
int (*dedupe_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t,
u64);
int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
} __randomize_layout;
结构体名称 :file_operations
文件位置 :include/linux/fs.h
主要作用 :正如其名,主要用来描述文件操作的各种接口,Linux
一切接文件的思想,内核想要操作哪个文件,都需要通过这些接口来实现。
核心成员及含义 :
-
open
:打开文件的函数 -
read
:读取文件的函数。 -
write
:写入文件的函数。 -
release
:关闭文件的函数。 -
flush
:刷新文件的函数,通常在关闭文件时调用。 -
llseek
:改变文件读写指针位置的函数。 -
fsync
:将文件数据同步写入磁盘的函数。 -
poll
:询问文件是否可被非阻塞读写
2.3 dev_t
typedef u32 __kernel_dev_t;
typedef __kernel_dev_t dev_t;
类型名称 :dev_t
文件位置 :include/linux/types.h
主要作用 :表示字符设备对应的设备号,其中包括主设备号和次设备号。
3、数据结构之间关系
上图绘制是对字符设备驱动程序的数据结构以及
API
的关系图,有需要原始文件,可在公~号【嵌入式艺术】获取。
4、字符设备驱动整体架构
4.1 加载与卸载函数
驱动首先实现的就是加载和卸载函数,也是驱动程序的入口函数。
我们一般这么定义驱动的加载卸载函数:
static int __init xxx_init(void)
{
}
static void __exit xxx_exit(void)
{
}
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);
这段代码就是实现一个通用驱动的加载与卸载,关于module_init
和module_exit
的实现机制,可以查看之前总结文章。
4.2 设备号管理
4.2.1 设备号的概念
每一类字符设备都有一个唯一的设备号,其中设备号又分为主设备号和次设备号,那么这两个分别作用是什么呢?
-
主设备号:用于标识设备的类型,
-
次设备号:用于区分同类型的不同设备
简单来说,主设备号用于区分是
IIC
设备还是SPI
设备,而次设备号用于区分IIC
设备下,具体哪一个设备,是MPU6050
还是EEPROM
。
4.2.2 设备号的分配
了解了设备号的概念,
Linux
中设备号有那么多,那么我们该如何去使用正确的设备号呢?
设备号的分配方式有两种,一种是动态分配,另一种是静态分配,也可以理解为一种是内核自动分配,一种是手动分配。
静态分配函数 :
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
-
from
:表示已知的一个设备号 -
count
:表示连续设备编号的个数,(同类型的设备有多少个) -
name
:表示设备或者驱动的名称
函数作用 :以from
设备号开始,连续分配count
个同类型的设备号
动态分配函数 :
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);
-
dev
:设备号的指针,用于存放分配的设备号的值 -
baseminor
:次设备号开始分配的起始值 -
count
:表示连续设备编号的个数,(同类型的设备有多少个) -
name
:表示设备或者驱动的名称
函数作用 :从baseminor
次设备号开始,连续分配count
个同类型的设备号,并自动分配一个主设备号,将主、次组成的设备号信息赋值给*dev
这两个函数最大的区别在于 :
-
register_chrdev_region
:调用前,已预先定义好了主设备号和次设备号,调用该接口后,会将自定义的设备号登记加入子系统中,方便系统追踪系统设备号的使用情况。 -
alloc_chrdev_region
:调用前,未定义主设备号和次设备号;调用后,主设备号以0
来表示,以自动分配,并且将自动分配的设备号,同样加入到子系统中,方便系统追踪系统设备号的使用情况。
这两个函数的共同点在于 :
系统维护了一个数组列表,用来登记所有的已使用的设备号信息,这两个接口归根到底也是将其设备号信息,登记到系统维护的设备号列表中,以免后续冲突使用。
在Linux
中,我们可以通过cat /proc/devices
命令,查看所有i登记的设备号列表。
后面有时间,我们可以详细聊设备号的自动分配机制,管理机制。
4.2.3 设备号的注销
设备号作为一种系统资源,当所对应的设备卸载时,当然也要将其所占用的设备号归还给系统,无论时静态分配,还是动态分配,最终都是调用下面函数来注销的。
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
-
from
:表示已知的一个设备号 -
count
:表示连续设备编号的个数,(同类型的设备有多少个)
函数作用 :要注销from
主设备号下的连续count
个设备
4.2.4 设备号的获取
设备号的管理很简单,在关键数据结构中,我们看到设备号的类型是dev_t
,也就是u32
类型表示的一个数值。
其中主设备号和次设备号的分界线,由MINORBITS
宏定义指定:
#define MINORBITS 20
也就是主设备号占用高12bit
,次设备号占用低20bit
并且,内核还提供了相关API
接口,来获取主设备号和次设备号,以及生成设备号的接口,如下:
#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))
以上,通过移位操作,来实现主次设备号的获取。
4.2.4 通用代码实现
#define CUSTOM_DEVICE_NUM 0
#define DEVICE_NUM 1
#device DEVICE_NAME "XXXXXX"
static dev_t global_custom_major = CUSTOM_DEVICE_NUM;
static int __init xxx_init(void)
{
dev_t custom_device_number= MKDEV(global_custom_major, 0); // custom device number
/* device number register*/
if (global_custom_major) {
ret = register_chrdev_region(custom_device_number, DEVICE_NUM, DEVICE_NAME);
} else {
ret = alloc_chrdev_region(&custom_device_number, 0, DEVICE_NUM, DEVICE_NAME);
global_custom_major = MAJOR(custom_device_number);
}
}
static void __exit xxx_exit(void)
{
unregister_chrdev_region(MKDEV(global_mem_major, 0), DEVICE_NUM);
}
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);
该函数实现了设备号的分配,如果主设备号为0
,则采用动态配分的方式,否则采用静态分配的方式。
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4.3 字符设备的管理
了解完设备号的管理之后,我们来看下字符设备是如何管理的。
4.3.1、字符设备初始化
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops);
-
cdev
:一个字符设备对象,也就是我们创建好的字符设备 -
fops
:该字符设备的文件处理接口
函数作用 :初始化一个字符设备,并且将所对应的文件处理指针与字符设备绑定起来。
4.3.2、字符设备注册
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);
-
p
:一个字符设备指针,只想待添加的字符设备对象 -
dev
:该字符设备所负责的第一个设备编号 -
count
:该类型设备的个数
函数作用 :添加一个字符设备驱动到Linux
系统中。
4.3.3、字符设备注销
void cdev_del(struct cdev *p);
p
:指向字符设备对象的指针
函数作用 :从系统中移除该字符设备驱动
4.4 文件操作接口的实现
因为在Linux
中,一切皆文件的思想,所以每一个字符设备,也都有一个文件节点来对应。
我们在初始化字符设备的时候,会将struct file_operations
的对象与字符设备进行绑定,其作用是来处理该字符设备的open
、read
、write
等操作。
我们要做的就是去实现我们需要的函数接口,如:
static const struct file_operations global_mem_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = global_mem_llseek,
.read = global_mem_read,
.write = global_mem_write,
.unlocked_ioctl = global_mem_ioctl,
.open = global_mem_open,
.release = global_mem_release,
};
至此,我们一个基本的字符设备驱动程序的框架就基本了然于胸了
5、总结
本篇文章,旨在通俗易懂的讲解:
-
字符设备驱动相关数据结构
-
数据结构关系图
-
核心
API
接口 -
字符设备驱动整体框架
希望对大家有所帮助。