字符设备驱动 1.Linux字符设备驱动结构1.1 cdev结构体在Linux内核中，使用cdev结构体描述一个字符设备，cdev结构体定义如下，struct cdev { struct kobject kobj; /* 内嵌的kobject对象 */ struct module *owner; /* 所属模块 */ struct file_operations *ops; /* 文件操作结构体 */ struct list_head list; dev_t dev; /* 设备号 */ unsigned int count; }cdev结构体的dev_t成员定义了设备号，为32位，其中12位为主设备号，20位为次设备号。使用下列宏可以从dev_t获得主设备号和次设备号;MAJOR(dev_t dev) MINOR(dev_t dev)使用下列宏可以通过主设备号和次设备号生成dev_t:MKDEV(int major, int minor)Linux内核提供了一组函数以用于操作cdev结构体：/* 初始化cdev成员，并建立cdev和file_operations之间的连接*/ void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *); /* 动态申请一个cdev内存 */ struct cdev *cdev_alloc(void); /* */ void cdev_put(struct cdev *p); /* 向系统添加一个cdev，完成字符设备的注册。对cdev_add()的调用通常发生在字符设备驱动模块加载函数中 */ int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned); /* 对cdev_del()函数的调用通常发生在字符设备驱动模块卸载函数中 */ void cdev_del(struct cdev *);1.2 分配和释放设备号在调用cdev_add()函数向系统注册字符设备之前，应首先调用register_chrdev_region()或alloc_chrdev_region()函数向系统申请设备号，相应地，在调用cdev_del()函数从系统注销字符设备之后，unregister_chrdev_region()会被调用以释放原先申请的设备号，函数原型为：/* 已知起始设备的设备号的情况，from:要分配设备编号范围的初始值（次设备号常设为0），count为连续编号范围，name为编号相关联的设备名称 */ int register_chrdev_region(dev-t from, unsigned count, const char *name); /* 设备号未知，向系统动态申请未被占用的设备号的情况，函数调用成功后，会把得到的设备号放入第一个参数dev中，其优点是自动避开设备号重复的冲突 */ int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name); /* 在调用cdev_del()函数从系统注销字符设备之后，unregister_chrdev_region()被调用以释放原先申请的设备号 */ void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);1.3 file_operations结构体file_operations结构体中的成员函数是字符设备驱动程序设计的主体内容，这些函数实际会在应用程序进行Linux的open()、write()、read()、close()等系统调用时最终被内核调用。file_operations结构体的主要成员：llseek()函数用来修改一个文件的当前读写位置，并将新位置返回，在出错时，这个函数返回一个负值。read()函数用来从设备中读取数据，成功时函数返回读取的字节数，出错时返回一个负值。write()函数向设备发送数据，成功时该函数返回写入的字节数。read()和write()如果返回0，则暗示end-of-file(EOF)unlocked_ioctl()提供设备相关控制命令的实现（既不是读操作，也不是写操作），当调用成功时，返回给调用程序一个非负值。mmap()函数将设备内存映射到进程的虚拟地址空间中，如果设备驱动未实现此函数，用户进行mmap()系统调用时将获得-ENODEV返回值。当用户空间调用Linux API函数open()打开设备文件时，设备驱动的open()函数最终被调用。驱动程序可以不实现这个函数，在这种情况下，设备的打开操作永远成功。与open()对应的是release()函数。poll()函数一般用于询问设备是否可被非阻塞地立即读写。当询问的条件未触发时，用户空间进行select()和poll()系统调用将引起进程的阻塞。aio_read()和aio_write()函数分别对与文件描述符对应的设备进行异步读、写操作。1.4 字符设备驱动的组成1.4.1 字符设备驱动模块加载与卸载函数在字符设备驱动模块加载函数中应该实现设备号的申请和cdev的注册，而在卸载函数中应实现设备号的释放和cdev的注销。Linux内核的编码习惯是为设备定义一个设备相关的结构体，该结构体包含设备所涉及的cdev、私有数据及锁等信息。1.4.2 字符设备驱动的file_operations结构体中成员函数file_operations结构体中的成员函数是字符设备驱动与内核虚拟文件系统的结口，是用户空间对Linux进行系统调用最终的落实者。大多数字符设备会实现read()、write()和ioctl()函数。由于用户空间不能直接访问内核空间的内存，因此借助了函数copy_from_user()完成用户空间缓冲区到内核空间的复制，以及copy_to_user()完成内核空间到用户空间缓冲区的复制。以上函数均返回不能被复制的字节数，因此，如果完全复制成功，返回值为0.如果复制失败，则返回负值。如果复制的内存是简单类型，如char、int、long等，则可以使用简单的put_user()和get_user()

misc驱动结构分析 1.misc驱动简介misc中文名就是杂项设备杂散设备，因为现在的硬件设备多种多样，有好些设备不好对他们进行一个单独的分类，所以就将这些设备全部归属于杂散设备，也就是misc设备，例如像adc、buzzer等这些设备一般都归属于misc中。所有的misc类设备都是字符设备，也就是misc类是字符设备中分出来的一个小类。misc类设备在应用层的操作接口：/dev/xxx，设备类对应在/sys/class/miscmisc类设备有自己的一套驱动框架，所以我们写一个misc设备的驱动直接利用的是内核中提供的驱动程序框架来实现的。misc驱动框架是对内核提供的原始的字符设备注册接口的一个类层次的封装，很多典型的字符设备都可以归于misc设备，都可以利用misc提供的驱动框架来编写驱动代码，通过misc驱动框架来进行管理。2.misc驱动框架源码分析在内核源码中，misc驱动框架源码的实现在：driver/char/misc.c，相应的头文件在：include/linux/miscdevice.h如果我们添加自己的misc类设备，那么驱动源文件最好在driver/misc这个目录下先看miscdevice.h的源代码：/* SPDX-License-Identifier: GPL-2.0 */ #ifndef _LINUX_MISCDEVICE_H #define _LINUX_MISCDEVICE_H #include <linux/major.h> #include <linux/list.h> #include <linux/types.h> #include <linux/device.h> /* * These allocations are managed by device@lanana.org. If you use an * entry that is not in assigned your entry may well be moved and * reassigned, or set dynamic if a fixed value is not justified. */ #define PSMOUSE_MINOR 1 #define MS_BUSMOUSE_MINOR 2 /* unused */ #define ATIXL_BUSMOUSE_MINOR 3 /* unused */ /*#define AMIGAMOUSE_MINOR 4 FIXME OBSOLETE */ #define ATARIMOUSE_MINOR 5 /* unused */ #define SUN_MOUSE_MINOR 6 /* unused */ #define APOLLO_MOUSE_MINOR 7 /* unused */ #define PC110PAD_MINOR 9 /* unused */ /*#define ADB_MOUSE_MINOR 10 FIXME OBSOLETE */ #define WATCHDOG_MINOR 130 /* Watchdog timer */ #define TEMP_MINOR 131 /* Temperature Sensor */ #define APM_MINOR_DEV 134 #define RTC_MINOR 135 #define EFI_RTC_MINOR 136 /* EFI Time services */ #define VHCI_MINOR 137 #define SUN_OPENPROM_MINOR 139 #define DMAPI_MINOR 140 /* unused */ #define NVRAM_MINOR 144 #define SGI_MMTIMER 153 #define STORE_QUEUE_MINOR 155 /* unused */ #define I2O_MINOR 166 #define AGPGART_MINOR 175 #define HWRNG_MINOR 183 #define MICROCODE_MINOR 184 #define IRNET_MINOR 187 #define D7S_MINOR 193 #define VFIO_MINOR 196 #define TUN_MINOR 200 #define CUSE_MINOR 203 #define MWAVE_MINOR 219 /* ACP/Mwave Modem */ #define MPT_MINOR 220 #define MPT2SAS_MINOR 221 #define MPT3SAS_MINOR 222 #define UINPUT_MINOR 223 #define MISC_MCELOG_MINOR 227 #define HPET_MINOR 228 #define FUSE_MINOR 229 #define KVM_MINOR 232 #define BTRFS_MINOR 234 #define AUTOFS_MINOR 235 #define MAPPER_CTRL_MINOR 236 #define LOOP_CTRL_MINOR 237 #define VHOST_NET_MINOR 238 #define UHID_MINOR 239 #define USERIO_MINOR 240 #define VHOST_VSOCK_MINOR 241 #define RFKILL_MINOR 242 #define MISC_DYNAMIC_MINOR 255 struct device; struct attribute_group; struct miscdevice { int minor; // 次设备号 const char *name; //设备名称 const struct file_operations *fops; // 文件操作结构体 struct list_head list; // 作为一个链表结点挂接到misc设备维护的一个链表头上去 struct device *parent; // 次设备的父设备 struct device *this_device; // 本设备的device结构体指针 const struct attribute_group **groups; const char *nodename; umode_t mode; }; extern int misc_register(struct miscdevice *misc); extern void misc_deregister(struct miscdevice *misc); /* * Helper macro for drivers that don't do anything special in the initcall. * This helps in eleminating of boilerplate code. */ #define builtin_misc_device(__misc_device) \ builtin_driver(__misc_device, misc_register) /* * Helper macro for drivers that don't do anything special in module init / exit * call. This helps in eleminating of boilerplate code. */ #define module_misc_device(__misc_device) \ module_driver(__misc_device, misc_register, misc_deregister) #define MODULE_ALIAS_MISCDEV(minor) \ MODULE_ALIAS("char-major-" __stringify(MISC_MAJOR) \ "-" __stringify(minor)) #endif 下面是misc驱动框架的源码实现，misc.c #include <linux/module.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/errno.h> #include <linux/miscdevice.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/major.h> #include <linux/mutex.h> #include <linux/proc_fs.h> #include <linux/seq_file.h> #include <linux/stat.h> #include <linux/init.h> #include <linux/device.h> #include <linux/tty.h> #include <linux/kmod.h> #include <linux/gfp.h> /* * Head entry for the doubly linked miscdevice list */ static LIST_HEAD(misc_list); static DEFINE_MUTEX(misc_mtx); /* * Assigned numbers, used for dynamic minors */ #define DYNAMIC_MINORS 64 /* like dynamic majors */ static DECLARE_BITMAP(misc_minors, DYNAMIC_MINORS); #ifdef CONFIG_PROC_FS static void *misc_seq_start(struct seq_file *seq, loff_t *pos) { mutex_lock(&misc_mtx); return seq_list_start(&misc_list, *pos); } static void *misc_seq_next(struct seq_file *seq, void *v, loff_t *pos) { return seq_list_next(v, &misc_list, pos); } static void misc_seq_stop(struct seq_file *seq, void *v) { mutex_unlock(&misc_mtx); } static int misc_seq_show(struct seq_file *seq, void *v) { const struct miscdevice *p = list_entry(v, struct miscdevice, list); seq_printf(seq, "%3i %s\n", p->minor, p->name ? p->name : ""); return 0; } static const struct seq_operations misc_seq_ops = { .start = misc_seq_start, .next = misc_seq_next, .stop = misc_seq_stop, .show = misc_seq_show, }; #endif static int misc_open(struct inode *inode, struct file *file) { int minor = iminor(inode); struct miscdevice *c; int err = -ENODEV; const struct file_operations *new_fops = NULL; mutex_lock(&misc_mtx); 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); request_module("char-major-%d-%d", MISC_MAJOR, minor); mutex_lock(&misc_mtx); list_for_each_entry(c, &misc_list, list) { if (c->minor == minor) { new_fops = fops_get(c->fops); break; } } if (!new_fops) goto fail; } /* * Place the miscdevice in the file's * private_data so it can be used by the * file operations, including f_op->open below */ file->private_data = c; err = 0; replace_fops(file, new_fops); if (file->f_op->open) err = file->f_op->open(inode, file); fail: mutex_unlock(&misc_mtx); return err; } static struct class *misc_class; static const struct file_operations misc_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = misc_open, .llseek = noop_llseek, }; /** * misc_register - register a miscellaneous device * @misc: device structure * * Register a miscellaneous device with the kernel. If the minor * number is set to %MISC_DYNAMIC_MINOR a minor number is assigned * and placed in the minor field of the structure. For other cases * the minor number requested is used. * * The structure passed is linked into the kernel and may not be * destroyed until it has been unregistered. By default, an open() * syscall to the device sets file->private_data to point to the * structure. Drivers don't need open in fops for this. * * A zero is returned on success and a negative errno code for * failure. */ int misc_register(struct miscdevice *misc) { dev_t dev; int err = 0; bool is_dynamic = (misc->minor == MISC_DYNAMIC_MINOR); INIT_LIST_HEAD(&misc->list); mutex_lock(&misc_mtx); if (is_dynamic) { int i = find_first_zero_bit(misc_minors, DYNAMIC_MINORS); if (i >= DYNAMIC_MINORS) { err = -EBUSY; goto out; } misc->minor = DYNAMIC_MINORS - i - 1; set_bit(i, misc_minors); } else { struct miscdevice *c; list_for_each_entry(c, &misc_list, list) { if (c->minor == misc->minor) { err = -EBUSY; goto out; } } } dev = MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor); misc->this_device = device_create_with_groups(misc_class, misc->parent, dev, misc, misc->groups, "%s", misc->name); if (IS_ERR(misc->this_device)) { if (is_dynamic) { int i = DYNAMIC_MINORS - misc->minor - 1; if (i < DYNAMIC_MINORS && i >= 0) clear_bit(i, misc_minors); misc->minor = MISC_DYNAMIC_MINOR; } err = PTR_ERR(misc->this_device); goto out; } /* * Add it to the front, so that later devices can "override" * earlier defaults */ list_add(&misc->list, &misc_list); out: mutex_unlock(&misc_mtx); return err; } EXPORT_SYMBOL(misc_register); /** * misc_deregister - unregister a miscellaneous device * @misc: device to unregister * * Unregister a miscellaneous device that was previously * successfully registered with misc_register(). */ void misc_deregister(struct miscdevice *misc) { int i = DYNAMIC_MINORS - misc->minor - 1; if (WARN_ON(list_empty(&misc->list))) return; mutex_lock(&misc_mtx); list_del(&misc->list); device_destroy(misc_class, MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor)); if (i < DYNAMIC_MINORS && i >= 0) clear_bit(i, misc_minors); mutex_unlock(&misc_mtx); } EXPORT_SYMBOL(misc_deregister); static char *misc_devnode(struct device *dev, umode_t *mode) { struct miscdevice *c = dev_get_drvdata(dev); if (mode && c->mode) *mode = c->mode; if (c->nodename) return kstrdup(c->nodename, GFP_KERNEL); return NULL; } // misc_init()函数是misc驱动框架模块注册时的一个初始化函数，只有进行了初始化，我们才能够利用misc提供的框架来进行编写misc设备驱动程序和管理misc类设备。 static int __init misc_init(void) { int err; struct proc_dir_entry *ret; ret = proc_create_seq("misc", 0, NULL, &misc_seq_ops); // 在sys文件系统下创建misc设备类 misc_class = class_create(THIS_MODULE, "misc"); err = PTR_ERR(misc_class); if (IS_ERR(misc_class)) goto fail_remove; err = -EIO; // 注册misc字符设备，主设备是10 if (register_chrdev(MISC_MAJOR, "misc", &misc_fops)) goto fail_printk; misc_class->devnode = misc_devnode; return 0; fail_printk: pr_err("unable to get major %d for misc devices\n", MISC_MAJOR); class_destroy(misc_class); fail_remove: if (ret) remove_proc_entry("misc", NULL); return err; } subsys_initcall(misc_init);