原標題：Linux可信計算機制模塊詳細分析之函數實現機制(1)字符設備驅動

2.3 函數實現機制

2.3.1 Linux 字符設備驅動

在linux 3.5.4中，用結構體cdev描述字符設備，cdev結構體在文件include/linux/cdev.h中定義，如下所示：

struct cdev {

struct kobject kobj;

struct module *owner;

const struct file_operations *ops;

struct list_head list;

dev_t dev;

unsigned int count;

};

類型

字段

說明

struct kobject

kobj

設備在底層的統一接口，是設備模型的核心結構，每個cdev結構體都有一個kobject，每個在內核中注冊的kobject對象都對應于sysfs文件中的一個目錄

struct module *

owner

指向實現驅動的模塊

struct file_operations *

ops

操作設備文件的方法，實現與具體硬件通信的操作，也是字符設備驅動程序的主體部分

struct list_head

list

實現一個雙向鏈表，其中包含表示該設備的設備文件的inode

dev_t

dev

表示設備號，一個設備號由主設備號和次設備號組成

unsigned int

count

表示與該設備關聯的次設備號的數目

表21結構體cdev 各字段說明

flle_operations結構體中定義了操作設備文件的方法，都是一些函數指針，其在/include/linux/fs.h文件中定義如下：

struct file_operations {

struct module *owner;

loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);

ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);

ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);

ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);

. . . . . . .

ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);

int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);

long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);

int (*open) (struct inode *, struct file *);

int (*release) (struct inode *, struct file *);

int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);

int (*fasync) (int, struct file *, int);

int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);

int (*check_flags)(int);

. . . . . . . .

};

字段名

說明

owner

指向擁有該結構體的驅動模塊指針

llseek

用于修改文件讀寫位置

read

從字符設備中讀取數據

write

向字符設備發送數據

aio_read

初始化一個異步的讀取操作

aio_write

初始化一個異步的寫入操作

readdir

用于讀取目錄，對于字符設備文件，該字段為NULL

unlocked_ioctl

執行設備I/O控制命令

mmap

用于將設備內存映射到進程地址空間

open

打開操作

release

關閉操作

synch

刷新待處理的數據

lock

文件鎖操作

check_flags

標志位檢查

表2-2 file_operations結構體字段說明

內核中所有已分配的字符設備編號都記錄在一個名為chrdevs散列表里。該散列表中的每一個元素是一個char_device_struct結構，內核并不是為每一個字符設備編號定義一個char_device_struct結構，而是為一組對應同一個字符設備驅動的設備編號范圍定義一個char_device_struct結構。chrdevs散列表的大小是255。char_device_struct結構在文件/fs/char_dev.c中定義，如下所示：

static struct char_device_struct {

struct char_device_struct *next;

unsigned int major;

unsigned int baseminor;

int minorct;

char name[64];

struct cdev *cdev;/* will die */

} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

類型

字段

說明

struct char_device_struct*

next

指向散列鏈表中的下一個元素的指針

unsigned int

major

主設備號

usigned int

baseminor

次設備號范圍中的起始設備號

int

minorct

次設備號范圍

char

name[64]

與設備編號關聯的設備驅動名稱

struct cdev*

cdev

指向字符設備描述結構體的指針，在未來內核版本中會刪除此字段

表2-3 char_device_struct結構個字段說明

用于操作cdev結構體的函數的具體實現在文件/fs/char_dev.c中，cdev_init()函數用于初始化cdev成員，并建立cdev和file_operations之間的連接實現，代碼如下：

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)

{

memset(cdev, 0, sizeof *cdev);

INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);

kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);

cdev->ops = fops;

}

cdev_init()函數執行流程如下：

(1)調用memset()函數初始化cdev結構體實例。

(2)初始化cdev結構體實例鏈表。

(3)初始化kobject結構體。

(4)將cdev結構體實例與對應file_operations結構體對應。

cdev_alloc()函數用于動態申請一個cdev內存，具體代碼在文件fs/char_dev.c中，代碼如下：

struct cdev *cdev_alloc(void)

{

struct cdev *p = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);

if (p) {

INIT_LIST_HEAD(&p->list);

kobject_init(&p->kobj, &ktype_cdev_dynamic);

}

return p;

}

cdev_alloc()函數執行流程如下：

(1)調用kzalloc()給cdev結構體分配空間。

(2)如果分配空間成功，初始化cdev結構體實例鏈表并初始化kobject結構體。

(3)返回cdev結構體指針

cdev_add()函數用于向系統添加一個cdev對象，完成字符設備的注冊，對cdev_add()的調用通常發生在字符設備驅動模塊加載函數中。在調用cdev_add()函數前，要首先調用register_chrdev_region()或者alloc_chrdev_region()函數向系統申請設備號。具體代碼在文件fs/char_dev.c中，代碼如下：

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

{

p->dev = dev;

p->count = count;

return kobj_map(cdev_map, dev, count, NULL, exact_match, exact_lock, p);

}

cdev_add執行流程如下：

(1)初始化cdev結構體中的dev、count字段，dev是設備號，count是設備號范圍，及與該設備驅動相關的次設備號范圍。

(2)調用kobj_map()函數，返回結果。kobj_map()用于用來把字符設備編號和cdev 結構變量一起保存到cdev_map這個散列表里。當后續要打開一個字符設備文件時，通過調用kobj_lookup()函數，根據設備編號就可以找到cdev結構變量，從而取出其中的ops字段

cdev_del()函數用于刪除一個cdev對象，完成字符設備的銷毀，通常在字符設備驅動模塊卸載函數中調用，在調用cdev_del()函數前，要調用unregister_chrdev_region()釋放原先申請的設備號。具體代碼在文件fs/char_dev.c中，代碼如下。

void cdev_del(struct cdev *p)

{

cdev_unmap(p->dev, p->count);

kobject_put(&p->kobj);

}

cdev_del()執行流程如下：

(1)調用cdev_unmap()函數從cdev_map散列表中刪除cdev設備實例和相應設備編號。

(2)將kobject結構體實例數量減一。

register_chrdev_region()函數用于向系統申請設備號，函數有三個參數：第一個為初始的設備號，第二個是請求的設備號的大小，即次設備號的大小，第三個參數是這個范圍(次設備號大小)內的設備號對應的設備驅動程序。該函數先執行個for循環檢查請求的設備號范圍是否超過了次設備號范圍，然后在每個設備號范圍上調用__register_chrdev_region()函數，函數執行成功返回0，錯誤返回錯誤代碼。具體代碼在文件fs/char_dev.c中，代碼如下：

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)

{

struct char_device_struct *cd;

dev_t to = from + count;

dev_t n, next;

for (n = from; n < to; n = next) {

next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);

if (next > to)

next = to;

cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n),

next - n, name);

if (IS_ERR(cd))

goto fail;

}

return 0;

fail:

to = n;

for (n = from; n < to; n = next) {

next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);

kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n));

}

return PTR_ERR(cd);

}

register_chrdev_region()函數執行流程如下：

(1)通過MKDEV()函數得到一個設備號存儲于next中。

(2)判斷在from的基礎上再追加count個設備是否已經溢出到下一個主設備號，。如果溢出(next大于to)，那么整個for語句就只執行個一次__register_chrdev_region函數；否則當設備號沒溢出時，會循環調用__register_chrdev_region函數，直到next大于to。

(3)如果在某個小范圍調用__register_chrdev_region時出現了失敗，那么會將此前分配的設備號都釋放。

alloc_chrdev_region()函數也是向系統申請設備號，但相比register_chrdev_region()函數，其可以動態分配一個主設備號。函數有四個參數：第一個為初始設備號，第二個是請求分配的次設備號的初始值，第三個是次設備號的范圍，第四個是次設備號對應的驅動程序的名稱，此函數最終調用__register_chrdev_region()函數實現。具體代碼在文件fs/char_dev.c中，如下所示：

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,

const char *name)

{

struct char_device_struct *cd;

cd = __register_chrdev_region(0, baseminor, count, name);

if (IS_ERR(cd))

return PTR_ERR(cd);

*dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor);

return 0;

}

register_chrdev()函數是一個老式分配設備編號范圍的函數，其是__register_chrdev()函數的封裝，__register_chrdev()函數內部調用__register_chrdev_region()函數實現。其分配一個單獨主設備號和0 ~ 255的次設備號范圍。如果申請的主設備號為0則動態分配一個。該函數還需傳入一個file_operations結構的指針，函數內部自動分配了一個新的cdev結構。

resgister_chrdev_region()、alloc_chrdev_region()、register_chrdev()三個字符設備注冊函數最終都調用了__register_chrdev_region()函數。__register_chrdev_region()函數用于向系統注冊一個設備號，有四個參數，第一個是設備的主設備號，第二個是初始此設備號，第三個是次設備號范圍，第四個是與設備號對應的設備驅動名稱。__register_chrdev_region()函數代碼在文件/fs/char_dev.c中。__register_chrdev_region()函數執行流程圖如下所示：

圖2-4 __register_chrdev_region()函數執行流程圖

chrdev_open()函數用于打開字符設備文件，其有兩個參數，第一個是文件索引節點結構體指針，第二個參數是文件對象結構體指針。chrdev_open()函數執行流程圖如下：

圖2-5 chrdev_open()函數執行流程圖

unregister_chrdev_region()函數用于注銷設備號，其調用__unregister_chrdev_region()函數具體，代碼在文件fs/char_dev.c中，如下所示：

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

{

dev_t to = from + count;

dev_t n, next;

for (n = from; n < to; n = next) {

next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0);

if (next > to)

next = to;

kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n));

}

}

unregister_chrdev()函數也是用于注銷一個設備號，與設備號注冊函數register_chrdev()對應，其是對__unregister_chrdev()函數的封裝，__unregister_chrdev()函數中調用了__unregister_chrdev_region()。__unregister_chrdev()函數代碼在文件fs/char_dev.c中，如下所示：

void __unregister_chrdev(unsigned int major, unsigned int baseminor,

unsigned int count, const char *name)

{

struct char_device_struct *cd;

cd = __unregister_chrdev_region(major, baseminor, count);

if (cd && cd->cdev)

cdev_del(cd->cdev);

kfree(cd);

}

__unregister_chrdev_region()是注銷設備號的核心函數，代碼在文件fs/char_dev.c中。其執行流程比較簡單，先從chrdevs散列表里中找到需要釋放的char_device_struct結構實例，再將char_device_struct結構實例從chrdevs散列表中刪除。返回搜狐，查看更多

責任編輯：

總結

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