一文秒懂|Linux字符设备驱动

董哥聊技术

发布于 2023-11-30 14:59:09

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发布于 2023-11-30 14:59:09

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一文秒懂|Linux字符设备驱动

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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

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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