原标题：Linux可信计算机制模块详细分析之函数实现机制(1)字符设备驱动

2.3 函数实现机制

2.3.1 Linux 字符设备驱动

在linux 3.5.4中，用结构体cdev描述字符设备，cdev结构体在文件include/linux/cdev.h中定义，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;

};

类型

字段

说明

struct kobject

kobj

设备在底层的统一接口，是设备模型的核心结构，每个cdev结构体都有一个kobject，每个在内核中注册的kobject对象都对应于sysfs文件中的一个目录

struct module *

owner

指向实现驱动的模块

struct file_operations *

ops

操作设备文件的方法，实现与具体硬件通信的操作，也是字符设备驱动程序的主体部分

struct list_head

list

实现一个双向链表，其中包含表示该设备的设备文件的inode

dev_t

dev

表示设备号，一个设备号由主设备号和次设备号组成

unsigned int

count

表示与该设备关联的次设备号的数目

表21结构体cdev 各字段说明

flle_operations结构体中定义了操作设备文件的方法，都是一些函数指针，其在/include/linux/fs.h文件中定义如下：

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

说明

owner

指向拥有该结构体的驱动模块指针

llseek

用于修改文件读写位置

read

从字符设备中读取数据

write

向字符设备发送数据

aio_read

初始化一个异步的读取操作

aio_write

初始化一个异步的写入操作

readdir

用于读取目录，对于字符设备文件，该字段为NULL

unlocked_ioctl

执行设备I/O控制命令

mmap

用于将设备内存映射到进程地址空间

open

打开操作

release

关闭操作

synch

刷新待处理的数据

lock

文件锁操作

check_flags

标志位检查

表2-2 file_operations结构体字段说明

内核中所有已分配的字符设备编号都记录在一个名为chrdevs散列表里。该散列表中的每一个元素是一个char_device_struct结构，内核并不是为每一个字符设备编号定义一个char_device_struct结构，而是为一组对应同一个字符设备驱动的设备编号范围定义一个char_device_struct结构。chrdevs散列表的大小是255。char_device_struct结构在文件/fs/char_dev.c中定义，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];

类型

字段

说明

struct char_device_struct*

next

指向散列链表中的下一个元素的指针

unsigned int

major

主设备号

usigned int

baseminor

次设备号范围中的起始设备号

int

minorct

次设备号范围

char

name[64]

与设备编号关联的设备驱动名称

struct cdev*

cdev

指向字符设备描述结构体的指针，在未来内核版本中会删除此字段

表2-3 char_device_struct结构个字段说明

用于操作cdev结构体的函数的具体实现在文件/fs/char_dev.c中，cdev_init()函数用于初始化cdev成员，并建立cdev和file_operations之间的连接实现，代码如下：

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()函数执行流程如下：

(1)调用memset()函数初始化cdev结构体实例。

(2)初始化cdev结构体实例链表。

(3)初始化kobject结构体。

(4)将cdev结构体实例与对应file_operations结构体对应。

cdev_alloc()函数用于动态申请一个cdev内存，具体代码在文件fs/char_dev.c中，代码如下：

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()函数执行流程如下：

(1)调用kzalloc()给cdev结构体分配空间。

(2)如果分配空间成功，初始化cdev结构体实例链表并初始化kobject结构体。

(3)返回cdev结构体指针

cdev_add()函数用于向系统添加一个cdev对象，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。在调用cdev_add()函数前，要首先调用register_chrdev_region()或者alloc_chrdev_region()函数向系统申请设备号。具体代码在文件fs/char_dev.c中，代码如下：

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执行流程如下：

(1)初始化cdev结构体中的dev、count字段，dev是设备号，count是设备号范围，及与该设备驱动相关的次设备号范围。

(2)调用kobj_map()函数，返回结果。kobj_map()用于用来把字符设备编号和cdev 结构变量一起保存到cdev_map这个散列表里。当后续要打开一个字符设备文件时，通过调用kobj_lookup()函数，根据设备编号就可以找到cdev结构变量，从而取出其中的ops字段

cdev_del()函数用于删除一个cdev对象，完成字符设备的销毁，通常在字符设备驱动模块卸载函数中调用，在调用cdev_del()函数前，要调用unregister_chrdev_region()释放原先申请的设备号。具体代码在文件fs/char_dev.c中，代码如下。

void cdev_del(struct cdev *p)

{

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

kobject_put(&p->kobj);

}

cdev_del()执行流程如下：

(1)调用cdev_unmap()函数从cdev_map散列表中删除cdev设备实例和相应设备编号。

(2)将kobject结构体实例数量减一。

register_chrdev_region()函数用于向系统申请设备号，函数有三个参数：第一个为初始的设备号，第二个是请求的设备号的大小，即次设备号的大小，第三个参数是这个范围(次设备号大小)内的设备号对应的设备驱动程序。该函数先执行个for循环检查请求的设备号范围是否超过了次设备号范围，然后在每个设备号范围上调用__register_chrdev_region()函数，函数执行成功返回0，错误返回错误代码。具体代码在文件fs/char_dev.c中，代码如下：

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()函数执行流程如下：

(1)通过MKDEV()函数得到一个设备号存储于next中。

(2)判断在from的基础上再追加count个设备是否已经溢出到下一个主设备号，。如果溢出(next大于to)，那么整个for语句就只执行个一次__register_chrdev_region函数；否则当设备号没溢出时，会循环调用__register_chrdev_region函数，直到next大于to。

(3)如果在某个小范围调用__register_chrdev_region时出现了失败，那么会将此前分配的设备号都释放。

alloc_chrdev_region()函数也是向系统申请设备号，但相比register_chrdev_region()函数，其可以动态分配一个主设备号。函数有四个参数：第一个为初始设备号，第二个是请求分配的次设备号的初始值，第三个是次设备号的范围，第四个是次设备号对应的驱动程序的名称，此函数最终调用__register_chrdev_region()函数实现。具体代码在文件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()函数是一个老式分配设备编号范围的函数，其是__register_chrdev()函数的封装，__register_chrdev()函数内部调用__register_chrdev_region()函数实现。其分配一个单独主设备号和0 ~ 255的次设备号范围。如果申请的主设备号为0则动态分配一个。该函数还需传入一个file_operations结构的指针，函数内部自动分配了一个新的cdev结构。

resgister_chrdev_region()、alloc_chrdev_region()、register_chrdev()三个字符设备注册函数最终都调用了__register_chrdev_region()函数。__register_chrdev_region()函数用于向系统注册一个设备号，有四个参数，第一个是设备的主设备号，第二个是初始此设备号，第三个是次设备号范围，第四个是与设备号对应的设备驱动名称。__register_chrdev_region()函数代码在文件/fs/char_dev.c中。__register_chrdev_region()函数执行流程图如下所示：

图2-4 __register_chrdev_region()函数执行流程图

chrdev_open()函数用于打开字符设备文件，其有两个参数，第一个是文件索引节点结构体指针，第二个参数是文件对象结构体指针。chrdev_open()函数执行流程图如下：

图2-5 chrdev_open()函数执行流程图

unregister_chrdev_region()函数用于注销设备号，其调用__unregister_chrdev_region()函数具体，代码在文件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()函数也是用于注销一个设备号，与设备号注册函数register_chrdev()对应，其是对__unregister_chrdev()函数的封装，__unregister_chrdev()函数中调用了__unregister_chrdev_region()。__unregister_chrdev()函数代码在文件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()是注销设备号的核心函数，代码在文件fs/char_dev.c中。其执行流程比较简单，先从chrdevs散列表里中找到需要释放的char_device_struct结构实例，再将char_device_struct结构实例从chrdevs散列表中删除。返回搜狐，查看更多

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