Linux設備管理（二）：內核中字符設備的管理

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*本文爲我的學習記錄，若有錯誤，歡迎指正。

*本文參考資料： 

*　　　　　　　　http://www.javashuo.com/article/p-vryhuxsr-bn.html

*　　　　　　　　http://www.169it.com/tech-qa-linux/article-5682294992603241339.html

*　　　　　　　　https://blog.csdn.net/zhoujiaxq/article/details/7646013

*　　　　　　　　http://www.cnblogs.com/xiaojiang1025/p/6196198.html

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1. 字符設備的管理框架

Linux內核對設備的管理是基於kobject來進行的，詳見Linux設備管理：kobject, kset, ktype分析。Linux對字符設備的管理框架依賴於struct kobj_map、struct cdev、dev_t dev、struct file_operations等數據結構。以下圖所示。

2. 字符設備數據結構

 Linux內核中關於字符設備的操做函數存放在 "/kernel/fs/char_dev.c" 文件中。

2.1 dev_t dev

一個字符設備或塊設備都有一個主設備號（major）和一個次設備號（minor）。主設備號用來標識與設備文件相連的驅動程序，用來反映設備類型。次設備號被驅動程序用來辨別操做的是哪一個設備，用來區分同類型的設備。

Linux內核中，使用dev_t來描述設備號。

typedef u_long dev_t;　　// 在32位機中是4個字節，高12位表示主設備號，低20位表示次設備號。

Linux內核中提供如下幾個宏來操做dev_t。

#define MAJOR(dev)    ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))　　// 從設備號中提取主設備號
#define MINOR(dev)    ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))　　 // 從設備號中提取次設備號
#define MKDEV(ma,mi)    (((ma) << MINORBITS) | (mi))　　       // 將主、次設備號拼湊爲設備號

2.2 struct cdev

Linux內核中，使用struct cdev結構體來描述一個字符設備。

<include/linux/cdev.h>  

struct cdev 
{   
　　struct kobject kobj;              //內嵌的內核對象 
　　struct module *owner;             //該字符設備所在的內核模塊（全部者）的對象指針，通常爲THIS_MODULE，主要用於模塊計數  
　　const struct file_operations *ops;//該結構描述了字符設備所能實現的操做集（打開、關閉、讀/寫、...），是極爲關鍵的一個結構體
　　struct list_head list;            //用來將已經向內核註冊的全部字符設備造成鏈表
　　dev_t dev;                        //字符設備的設備號，由主設備號和次設備號構成（若是是一次申請多個設備號，此設備號爲第一個）
　　unsigned int count;               //隸屬於同一主設備號的次設備號的個數
};

2.3 struct file_operations

Linux內核中，使用file_operations結構來管理設備驅動程序的函數，這個結構的每個成員的名字都對應着一個函數調用。

用戶進程利用在對設備文件進行操做時（read/write等），系統調用經過設備文件的主設備號找到相應的設備驅動程序，而後讀取其file_operations結構相應的函數指針，接着把控制權交給該函數，這是Linux的設備驅動程序工做的基本原理。

struct file_operations 
{
　　struct module *owner;　　
　　　　/* 模塊擁有者，通常爲 THIS——MODULE */
　　ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);　　
　　　　/* 從設備中讀取數據，成功時返回讀取的字節數，出錯返回負值（絕對值是錯誤碼） */
　　ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);　　　
　　　　/* 向設備發送數據，成功時該函數返回寫入字節數。若爲被實現，用戶調層用write()時系統將返回 -EINVAL*/
　　int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);　　
　　　　/* 將設備內存映射內核空間進程內存中，若未實現，用戶層調用 mmap()系統將返回 -ENODEV */
　　long (*unlocked_ioctl)(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);　　
　　　　/* 提供設備相關控制命令（讀寫設備參數、狀態，控制設備進行讀寫...）的實現，當調用成功時返回一個非負值 */
　　int (*open) (struct inode *, struct file *);　　
　　　　/* 打開設備 */
　　int (*release) (struct inode *, struct file *);　　
　　　　/* 關閉設備 */
　　int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);　　
　　　　/* 刷新設備 */
　　loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);　　
　　　　/* 用來修改文件讀寫位置，並將新位置返回，出錯時返回一個負值 */
　　int (*fasync) (int, struct file *, int);　　
　　　　/* 通知設備 FASYNC 標誌發生變化 */
　　unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);　　
　　　　/* POLL機制，用於詢問設備是否能夠被非阻塞地當即讀寫。當詢問的條件未被觸發時，用戶空間進行select()和poll()系統調用將引發進程阻塞 */
};

2.4 struct kobj_map

Linux內核中，全部的字符設備都會記錄在一個cdev_map 變量中。cdev_map是一個struct kobj_map類型的指針，其中包含着一個struct probe*類型、大小爲255的數組，數組的每一個元素指向的一個probe結構封裝了一個設備號和相應的設備對象(cdev)。

struct kobj_map {
    struct probe {
        struct probe *next;      // 這樣造成了鏈表結構
        dev_t dev;                   //設備號 */
        unsigned long range;     // 設備號的範圍
        struct module *owner;
        kobj_probe_t *get;
        int (*lock) (dev_t, void *);
        void *data;              //指向struct cdev對象 
    } *probes[255];
    struct mutex *lock;
}

struct kobj_map

字符設備驅動程序經過調用cdev_add把它所管理的字符設備對象的指針嵌入到一個類型爲struct probe的節點之中，而後再把該節點加入到cdev_map所實現的哈希鏈表中。對系統而言，當設備驅動程序成功調用了cdev_add以後，就意味着一個字符設備對象已經加入到了系統，在須要的時候，系統就能夠找到它。對用戶態的程序而言，cdev_add調用以後，就已經能夠經過文件系統的接口調用該設備的驅動程序（具體調用流程詳見Linux字符設備：應用程序調用字符設備驅動程序的流程）。

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
{
    p->dev = dev;
    p->count = count;

   /*申請並填充struct probe，再經過要加入系統的設備的主設備號major（major=MAJOR(dev)）來得到probes數組的索引值i（i = major % 255），
     而後把一個類型爲struct probe的節點對象加入到probes[i]所管理的鏈表中*/ 
    return kobj_map(cdev_map, dev, count, NULL, exact_match, exact_lock, p);
}

cdev_map對字符設備的管理方式有兩種：

（1）一個cdev對象對應這一個/多個設備號的狀況

在cdev_map中, 一個probes對象就對應一個主設備號；多個設備號對應一個cdev時，其實只是次設備號在變，主設備號仍是同樣的，因此是同一個probes對象。

（2）主設備號超過255的狀況

當主設備號超過255時，會進行probe複用，此時probe->next就派上了用場，好比probe[200]能夠表示設備號200,455...3895等全部對255取餘是200的數字。