《Linux Device Drivers》第三章字符设备驱动程序——note

浏览数：28 / 时间：2015年06月20日

主设备号和次设备号
- 那些名称被称为特殊文件、设备文件，或者简单称之为文件系统树的节点，它们通常位于/dev目录
- 通常而言，主设备号标识设备对应的驱动程序
- 一个主设备号对应一个驱动程序
- 设备编号的内部表达
  - dev_t(<linux/types.h>)
  - dev_t是一个32位的数，12位表示主设备号，其余20位表示次设备号
  - <linux/kdev_t.h>
    - MAJOR(dev_t dev);
    - MINOR(dev_t dev);
    - MKDEV(int major, int minor);
- 分配和释放设备编号
  - <linux/fs.h>
    - int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);
    - int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);
    - void u nregister_chrdev_resion(dev_t first, unsigned int count);
- 动态分配主设备号
  - 驱动程序应该始终使用alloc_chrdev_region而不是register_chrdev_region函数
  - 缺点是：由于分配的主设备号不能保证始终一致，所以无法预先创建设备节点
  - /proc/devices
  - 分配主设备号的最佳方式
    - 默认采用动态分配，同时保留在加载甚至是编译时指定主设备号的余地

一些重要的数据结构
- 三个重要的内核数据结构
  - file_operations
  - file
  - inode
- 文件操作
  - file_operations结构用来将驱动程序操作连接到设备编号
  - <linux/fs.h>
  - file_operations结构或者指向这类结构的指针称为fops
    - 每个字段必须指向驱动程序中实现特定操作的函数
  - struct module *owner
  - loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
  - ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
  - ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t);
  - ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
  - ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const char __user *, size_t, loff_t *);
  - int (*readdir) (struct file *, ,void *, filldir_t);
  - unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
  - int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
  - int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
  - int (*open) (struct inode *, struct file *);
  - int (*flush) (struct file *);
  - int (*release) (struct inode *, struct file *);
  - int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int);
  - int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int);
  - int (*fasync) (int, struct file *, int);
  - int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
  - ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
  - ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
  - ssize_t (*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *);
  - 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 (*dir_notify) (struct file *, unsigned long);
- file结构
  - file结构代表一个打开的文件
  - <linux/fs.h>
  - 与用户空间程序中的FILE没有任何关联
  - 指向struct file的指针通常被称为file或filp
  - 字段
    - mode_t f_mode
    - loff_t f_pos
    - unsigned int f_flags
    - struct file_operations *f_op
    - void *private_data
    - struct dentry *f_dentry
- inode结构
  - 内核用inode结构在内部表示文件
  - 对单个文件，可能会有许多个表示打开的文件描述符的file结构
  - 字段
    - dev_t i_rdev
    - struct cdev *i_cdev
字符设备的注册
- <linux/cdev.h>
- 获取一个独立的cdev结构
  - struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();
  - my_cdev->ops = &my_fops;
  - owner
- struct cdev *cdev_alloc(void);
- void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops);
- int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count);
- void cdev_del(struct cdev *dev);
open和release
- open方法
  - 主要工作
    - 检查设备特定的错误
    - 如果设备是首次打开，则对其进行初始化
    - 如有必要，更新f_op指针
    - 分配并填写置于flip->private_data里的数据结构
  - int (*open)(struct inode *inode, struct file *filp);
  - <linux/kernel.h>
    - container_of(pointer, continer_type, container_field);
- release方法
  - 主要工作
    - 释放由open分配的、保存在filp->private_data中的所有内容
    - 在最后一次关闭操作时关闭设备
scull的内存使用
- <linux/slab.h>
  - void *kmalloc(size_t size, int flags);
  - void kfree(void *ptr);
  - 不应该将非kmalloc返回的指针传递给kfree
  - 将NULL指针传递给kfree是合法的
read和write
- ssize_t read(struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);
- ssize_t write(struct file *filp, const char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);
- 内核代码不能直接引用用户空间的指针
  - 随着驱动程序所运行的架构的不同或者内核配置的不同，在内核模式中运行时，用户空间的指针可能是无效的
  - 即使该指针在内核空间中代表相同的东西，但用户空间的内存是分页的，而在系统调用被调用时，涉及到的内存可能根本不在RAM中
  - 用户空间的指针由用户程序提供，该程序可能存在缺陷或者是个恶意程序
- 访问用户空间的缓冲区应始终通过内核提供的专用函数完成
  - <asm/uaccess.h>
  - unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void * from, unsigned long count)
  - unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count);
- 访问用户空间的任何函数都必须是可重入的，必须能和其他驱动程序函数并发执行，必须处于能够合法休眠的状态
- read方法
  - 如果返回值等于传递read系统调用的count参数，则说明所请求的字节数传输成功完成了
  - 如果返回值是正的，但比count小，说明部分数据传输成功
  - 如果返回值为，则表示已经到达了文件尾
  - 负值意味着发生了错误，该值指明了发生了什么错误，错误码在<linux/error.h>中定义
  - 现在还没有数据，但以后可能会有
- write方法
- readv和writev
  - ssize_t (*readv) (struct file * filp, const struct iovec *iov, unsigned long count, loff_t *ppos);
  - ssize_t (*writev) (struct file *filp, const struct iovec *iov, unsigned long count, loff_t *ppos);
  - iovec结构
    - void __user *iov_base;
    - __kernel_size_t iov_len