Linux设备管理（二）：内核中字符设备的管理

/************************************************************************************

*本文为个人学习记录，如有错误，欢迎指正。

*本文参考资料：

*　　　　　　　　https://www.cnblogs.com/embedded-tzp/p/4507240.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

************************************************************************************/

Linux内核对设备的管理是基于kobject来进行的，详见Linux设备管理：kobject, kset, ktype分析。Linux对字符设备的管理框架依赖于struct kobj_map、struct cdev、dev_t dev、struct file_operations等数据结构。如下图所示。

Linux设备管理（二）：内核中字符设备的管理

2. 字符设备数据结构

Linux内核中关于字符设备的操作函数存放在 "/kernel/fs/char_dev.c" 文件中。

2.1 dev_t dev

一个字符设备或块设备都有一个主设备号（major）和一个次设备号（minor）。主设备号用来标识与设备文件相连的驱动程序，用来反映设备类型。次设备号被驱动程序用来辨别操作的是哪个设备，用来区分同类型的设备。

Linux内核中，使用dev_t来描述设备号。

typedef u_long dev_t;　　// 在32位机中是4个字节，高12位表示主设备号，低20位表示次设备号。

Linux内核中提供以下几个宏来操作dev_t。

#define MAJOR(dev)    ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))　　// 从设备号中提取主设备号
#define MINOR(dev)    ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))　　 // 从设备号中提取次设备号
#define MKDEV(ma,mi)    (((ma) << MINORBITS) | (mi))　　       // 将主、次设备号拼凑为设备号

2.2 struct cdev

Linux内核中，使用struct cdev结构体来描述一个字符设备。

<include/linux/cdev.h>  

struct cdev 
{   
　　struct kobject kobj;              //内嵌的内核对象 
　　struct module *owner;             //该字符设备所在的内核模块（所有者）的对象指针，一般为THIS_MODULE，主要用于模块计数  
　　const struct file_operations *ops;//该结构描述了字符设备所能实现的操作集（打开、关闭、读/写、...），是极为关键的一个结构体
　　struct list_head list;            //用来将已经向内核注册的所有字符设备形成链表
　　dev_t dev;                        //字符设备的设备号，由主设备号和次设备号构成（如果是一次申请多个设备号，此设备号为第一个）
　　unsigned int count;               //隶属于同一主设备号的次设备号的个数
};

2.3 struct file_operations

Linux内核中，使用file_operations结构来管理设备驱动程序的函数，这个结构的每一个成员的名字都对应着一个函数调用。

用户进程利用在对设备文件进行操作时（read/write等），系统调用通过设备文件的主设备号找到相应的设备驱动程序，然后读取其file_operations结构相应的函数指针，接着把控制权交给该函数，这是Linux的设备驱动程序工作的基本原理。

struct file_operations 
{
　　struct module *owner;　　
　　　　/* 模块拥有者，一般为 THIS——MODULE */
　　ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);　　
　　　　/* 从设备中读取数据，成功时返回读取的字节数，出错返回负值（绝对值是错误码） */
　　ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);　　　
　　　　/* 向设备发送数据，成功时该函数返回写入字节数。若为被实现，用户调层用write()时系统将返回 -EINVAL*/
　　int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);　　
　　　　/* 将设备内存映射内核空间进程内存中，若未实现，用户层调用 mmap()系统将返回 -ENODEV */
　　long (*unlocked_ioctl)(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);　　
　　　　/* 提供设备相关控制命令（读写设备参数、状态，控制设备进行读写...）的实现，当调用成功时返回一个非负值 */
　　int (*open) (struct inode *, struct file *);　　
　　　　/* 打开设备 */
　　int (*release) (struct inode *, struct file *);　　
　　　　/* 关闭设备 */
　　int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);　　
　　　　/* 刷新设备 */
　　loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);　　
　　　　/* 用来修改文件读写位置，并将新位置返回，出错时返回一个负值 */
　　int (*fasync) (int, struct file *, int);　　
　　　　/* 通知设备 FASYNC 标志发生变化 */
　　unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);　　
　　　　/* POLL机制，用于询问设备是否可以被非阻塞地立即读写。当询问的条件未被触发时，用户空间进行select()和poll()系统调用将引起进程阻塞 */
};

2.4 struct kobj_map

Linux内核中，所有的字符设备都会记录在一个cdev_map 变量中。cdev_map是一个struct kobj_map类型的指针，其中包含着一个struct probe*类型、大小为255的数组，数组的每个元素指向的一个probe结构封装了一个设备号和相应的设备对象(cdev)。

struct kobj_map {
    struct probe {
        struct probe *next;      // 这样形成了链表结构
        dev_t dev;                   //设备号 */
        unsigned long range;     // 设备号的范围
        struct module *owner;
        kobj_probe_t *get;
        int (*lock) (dev_t, void *);
        void *data;              //指向struct cdev对象 
    } *probes[255];
    struct mutex *lock;
}

struct kobj_map