linux字符设备那些事

时间：2010-03-08 来源：wmmy2008

------------------------------------------------ #个人浅见,如有问题敬请谅解! #kernel version: 2.6.26 #Author: andy wang ------------------------------------------------- 字符设备是一种常见的设备类型，在linux中字符设备是一种特殊的文件，如果要操作控制字符设备需要先将它注册到内核中。注册字符设备下面就来研究一下字符设备是如何注册到linux内核中的. 在2.6近期的版本中注册一个字符设备一般调用函数register_chrdev(); 而这个函数只能指定主设备号不能指定次设备号，所以用这个函数最多只能注册256个字符设备。下面还是看看注册一个字符设备的软件流程: register_chrdev()->__register_chrdev_region()->cdev_add(); 跟踪一下register_chrdev()代码： 265 int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, 266 const struct file_operations *fops) 267 { 268 struct char_device_struct *cd; 269 struct cdev *cdev; 270 char *s; 271 int err = -ENOMEM; 272 273 cd = __register_chrdev_region(major, 0, 256, name); 274 if (IS_ERR(cd)) 275 return PTR_ERR(cd); 276 277 cdev = cdev_alloc(); 278 if (!cdev) 279 goto out2; 280 281 cdev->owner = fops->owner; 282 cdev->ops = fops; 283 kobject_set_name(&cdev->kobj, "%s", name); 284 for (s = strchr(kobject_name(&cdev->kobj),'/'); s; s = strchr(s, '/')) 285 *s = '!'; 286 287 err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, 0), 256); 288 if (err) 289 goto out; 290 291 cd->cdev = cdev; 292 293 return major ? 0 : cd->major; 294 out: 295 kobject_put(&cdev->kobj); 296 out2: 297 kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, 0, 256)); 298 return err; 299 } 第273行，根据主设备号(major)的值，次设备号为0 ，计算出它的散列值, 找到未占用的chrdevs散列头；来看看struct char_device_struct的定义就会明白了: static struct char_device_struct { struct char_device_struct *next; unsigned int major; unsigned int baseminor; int minorct; char name[64]; struct cdev *cdev; } *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE]; 可见chrdevs被定义为结构数组指针，所有注册到内核中的字符设备由它组织成一个散列表，而散列值最大为CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE=255。第277行，动态分配一个cdev结构。第281-282行，初始化cdev，其中有一个重要的操作是我们定义的字符设备操作方法fops赋值给cdev->ops ，后面会分析VFS层是如何得到cdev->ops读写字符设备的。第287行，把cdev添加到cdev_map中的，在后面打开字符设备的操作中会根据设备号找到这个cdev. 第291好，关联cdev与chrdevs. 下面继续跟踪函数__register_chrdev_region(): 94 static struct char_device_struct * 95 __register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor, 96 int minorct, const char *name) 97 { 98 struct char_device_struct *cd, **cp; 99 int ret = 0; 100 int i; 101 102 cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL); 103 if (cd == NULL) 104 return ERR_PTR(-ENOMEM); 105 106 mutex_lock(&chrdevs_lock); 107 108 /* temporary */ 109 if (major == 0) { 110 for (i = ARRAY_SIZE(chrdevs)-1; i > 0; i--) { 111 if (chrdevs[i] == NULL) 112 break; 113 } 114 115 if (i == 0) { 116 ret = -EBUSY; 117 goto out; 118 } 119 major = i; 120 ret = major; 121 } 122 123 cd->major = major; 124 cd->baseminor = baseminor; 125 cd->minorct = minorct; 126 strncpy(cd->name,name, 64); 127 128 i = major_to_index(major); 129 130 for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next) 131 if ((*cp)->major > major || 132 ((*cp)->major == major && 133 (((*cp)->baseminor >= baseminor) || 134 ((*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor)))) 135 break; 136 137 /* Check for overlapping minor ranges. */ 138 if (*cp && (*cp)->major == major) { 139 int old_min = (*cp)->baseminor; 140 int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct - 1; 141 int new_min = baseminor; 142 int new_max = baseminor + minorct - 1; 143 144 /* New driver overlaps from the left. */ 145 if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) { 146 ret = -EBUSY; 147 goto out; 148 } 149 150 /* New driver overlaps from the right. */ 151 if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) { 152 ret = -EBUSY; 153 goto out; 154 } 155 } 156 157 cd->next = *cp; 158 *cp = cd; 159 mutex_unlock(&chrdevs_lock); 160 return cd; 161 out: 162 mutex_unlock(&chrdevs_lock); 163 kfree(cd); 164 return ERR_PTR(ret); 165 } 第109-121行，如果主设备号major为0，意味着需要动态分配一个主设备号。这段代码就是遍历chrdevs散列头找到没有占用的散列头. 第123-126行，初始化刚分配的散列单元cd . 第128行，计算主设备号对应的散列值. 第130-135行代码其实就是解决，当散列值冲突时会根据主设备以及次设备号的大小排列散列元素. 第138-154行，当注册的设备号已经存在时返回错误，确保每个字符设备设备号的唯一性。打开字符设备在linux下字符设备是一种特殊文件,但对与用户来说它的操作和普通文件是一样。那么是什么帮我们隐藏这种文件的差异性呢？这就是VFS的功劳了。先回忆一下以前文章中分析VFS操作文件的流程。在VFS创建文件索引节点时有这么一段代码: { ……….. switch (mode & S_IFMT) { default: init_special_inode(inode, mode, dev); break; ………….. } void init_special_inode(struct inode *inode, umode_t mode, dev_t rdev) { inode->i_mode = mode; if (S_ISCHR(mode)) { inode->i_fop = &def_chr_fops; inode->i_rdev = rdev; } else if (S_ISBLK(mode)) { inode->i_fop = &def_blk_fops; inode->i_rdev = rdev; } else if (S_ISFIFO(mode)) inode->i_fop = &def_fifo_fops; else if (S_ISSOCK(mode)) inode->i_fop = &bad_sock_fops; else printk(KERN_DEBUG "init_special_inode: bogus i_mode (%o)\n", mode); } 当我们用mknod创建一个字符设备节点时,我们可以看到字符设备文件默认操作方法是def_chr_fops ，而且设备号保存在inode->i_rdev中。那我们就来看看def_chr_fops是如何定义的： const struct file_operations def_chr_fops = { .open = chrdev_open, }; 到这里我们知道了，打开一个字符设备其实就是默认调用函数chrdev_open();那么我们在注册字符设备时定义的文件操作方法是如何被调用到的呢？要回答这个问题我们就需要来看看chrdev_open() 函数了： 359 static int chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp) 360 { 361 struct cdev *p; 362 struct cdev *new = NULL; 363 int ret = 0; 364 365 spin_lock(&cdev_lock); 366 p = inode->i_cdev; 367 if (!p) { 368 struct kobject *kobj; 369 int idx; 370 spin_unlock(&cdev_lock); 371 kobj = kobj_lookup(cdev_map, inode->i_rdev, &idx); 372 if (!kobj) 373 return -ENXIO; 374 new = container_of(kobj, struct cdev, kobj); 375 spin_lock(&cdev_lock); 376 p = inode->i_cdev; 377 if (!p) { 378 inode->i_cdev = p = new; 379 inode->i_cindex = idx; 380 list_add(&inode->i_devices, &p->list); 381 new = NULL; 382 } else if (!cdev_get(p)) 383 ret = -ENXIO; 384 } else if (!cdev_get(p)) 385 ret = -ENXIO; 386 spin_unlock(&cdev_lock); 387 cdev_put(new); 388 if (ret) 389 return ret; 390 filp->f_op = fops_get(p->ops); 391 if (!filp->f_op) { 392 cdev_put(p); 393 return -ENXIO; 394 } 395 if (filp->f_op->open) { 396 lock_kernel(); 397 ret = filp->f_op->open(inode,filp); 398 unlock_kernel(); 399 } 400 if (ret) 401 cdev_put(p); 402 return ret; 403 } 第366-383行，首先是判断inode->i_cdev是否定义，如果没有定义那么就需要根据inode->i_rdev字符设备号调用函数kobj_lookup()找到对应的kobj，然后调用函数container_of(kobj, struct cdev, kobj)找到cdev ，从上面注册字符设备的流程可以得知cdev->ops定义了字符设备的操作方法。所以找到了cdev我们就找到了这个字符设备的操作方法了。第390行，取出字符设备文件的操作方法赋给filp->f_op ，到这里这个文件的读写方法就可以找到了。第395-397行，如果定义了open操作，那么就调用open回调函数打开文件。也就是我们注册字符设备时定义的文件open回调函数了。那么自然VFS读写文件操作时，也会调用我们定义的读写操作回调函数了.；如果不清楚VFS读写文件的流程，请参见以前的文章《VFS读写文件操作》。最后我们来看看一个函数: 67 #ifdef CONFIG_PROC_FS 68 69 void chrdev_show(struct seq_file *f, off_t offset) 70 { 71 struct char_device_struct *cd; 72 73 if (offset < CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE) { 74 mutex_lock(&chrdevs_lock); 75 for (cd = chrdevs[offset]; cd; cd = cd->next) 76 seq_printf(f, "%3d %s\n", cd->major, cd->name); 77 mutex_unlock(&chrdevs_lock); 78 } 79 } 80 81 #endif 这个函数就是把内核中注册的所有字符设备都打印出来，其实我们平时在查看内核注册的设备时用 cat /proc/devices时就会调用到这个函数，关于proc文件系统和devices文件的读写流程已经在以前的文章《procfs文件系统》中已经分析过了，这里就不多说了；现在只是回头望月。好了，到这里我们就已经把字符设备的注册和操作方法都介绍完了，是不是有点“拨开云雾现青天”的感觉呢！！！