今天计划将之前写的模块Linux模块(1) - 加载与卸载填充一下，达到设备节点创建的功能。

1. 全局数据

模块中有许多数据结构是要动态申请和释放的，就少不了一些全局数据来标记这些信息，这里通过宏MODULE_MISC_DEVICE来区分下杂项设备和普通设备的注册流程。

#include <linux/misdevice.h>
#include <linux/cdev.h>
struct driver_info {  // 自定义结构体类型
#ifdef MODULE_MISC_DEVICE // 将模块作为杂项设备自动注册struct miscdevice miscdev; // 杂项设备结构体，会自动创建设备节点
#else // 将模块作为普通设备自动注册struct cdev cdev; // 设备结构体，可以使用动态内存申请，也可以静态定义struct class *class; // 用于自动创建设备节点
#endif
}
atomic_t mac_instance_num = ATOMIC_INIT(0); // 设备实例化的个数，用于创建设备文件时的数字后缀，避免多核驱动加载时产生竞争，采用原子类型

1.1 设备节点

linux设备文件都有一个主设备号和次设备号，主设备号相同的设备使用相同的驱动，次设备号决定了设备实例化的个数，部分主设备号保留给特定的设备，其他值可以由用户自由使用。设备号可以在编写模块时指定，指定的设备号不能与系统中现有的所有设备冲突，也可以动态申请。

// include/linux/kdev_t.h --- 定义了`dev_t`的结构是一个`uint32_t`的数
#define MINORBITS 20  // 次设备号使用低20位，主设备号使用高12位
#define MINORMASK ((1U<<MINORIBITS)-1)
#define MAJOR(dev) ((unsigned int)((dev))>>MINORBITS) // 提取主设备号
#define MINOR(dev) ((unsigned int)((dev)&MINORMASK)) // 提取次设备号
#define MKDEV(ma, mi) (((ma)<<MINORBITS)|(mi)) // 合成设备号

1.2 misdevice

杂项设备是指主设备号固定为10的设备，内核为杂项设备提供了一套统一的驱动，在驱动内部再根据次设备号调用模块中用户定义的接口。

// drivers/char/misc.c
// 向内核注册设备信息，同时创建设备节点，设备节点的名称即misc->name
int misc_register(struct misdevice *misc)
{...bool is_dynamic = (misc->minor == MISC_DYNAMIC_MINOR); // 杂项设备的次设备号支持指定和动态申请...
}
// 注销设备，删除设备节点
void misc_deregister(struct miscdevice *misc)
{...
}

1.3 cdev

字符设备是Linux常用设备中的一种，内核对此抽象了一个结构体struct cdev。

// fs/char_dev.c
// 动态申请一个结构体
struct cdev *cdev_alloc(void)
{struct cdev *p = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);if (p) {INIT_LIST_HEAD(&p->list);// ktype_cdev_dynamic中定义了一个release()函数，该函数会用于内存的释放kobject_init(&p->kobj, &ktype_cdev_dynamic);}return p;
}
// 静态定义的初始化
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
{memset(cdev, 0, sizeof(*cdev));INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);// ktype_cdev_default中定义了一个release()函数，该函数仅用于从内核中移除相关信息kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);cdev->ops = fops; // 比cdev_alloc()多了一步
}
// 填充设备信息，并添加到内核中
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
{...p->dev = dev;  // 赋值设备号p->count = count;  // 赋值设备编号，即第几个设备...
}
// 移除设备信息，无论动态申请的还是静态初始化的都使用该函数，动态的内存会自动释放
void cdev_del(struct cdev *p)
{...
}

1.4 class

这一部分暂未做详细了解，大致意思是通过struct class在文件系统中创建/sys/class/mac文件夹，里面记录了设备节点的信息，再由udev来创建对应的设备文件。

// include/linux/device.h
// 动态申请一个class数据结构并注册，class_create本身是一个宏定义
struct class *class_create(struct module *ower, const char *name)
{...
}
// drivers/base/class.c
// 注销并释放
void class_destroy(struct class *class)
{...
}

创建了class之后还需要根据class创建一个设备并注册到文件系统中。

// drivers/base/core.c
// 创建一个设备，`parent`和`drvdata`可以为`NULL`，`fmt`表示设备文件的名称
struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...)
{...// 返回值可能是负值，也可能是正常的指针，应当使用`IS_ERR()`进行判断，使用`PTR_ERR()`转换结果为错误值
}
// 注销设备文件
void device_destroy(struct class *class, dev_t devt)
{...
}
// include/linux/err.h
static inline bool IS_ERR(void *ptr)
{return unlikely((unsigned long)(void*)ptr >= (unsigned long)-4095);
}
static inline long PTR_ERR(void *ptr)
{return (long)ptr;
}

1.5 设备号

// fs/char_dev.c
// 动态申请一个主设备号，和一段连续的次设备号，并完成注册
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, uinsigned count, const char *name)
{...__register_chrdev_region(0, baseminor, count, name); // 0表示申请新的主设备号，非0表示沿用主设备号{find_dynamic_major(); // 查找空闲主设备号{// fs/char_dev.c#define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 255 // 静态分配// include/linux/fs.h#define CHRDEV_MAJOR_MAX 512 // 设定最大主设备号为512#define CHRDEV_MAJOR_DYN_END 234 // 第一区域，明显第一区域被静态分配了无法申请#define CHRDEV_MAJOR_DYN_EXT_START 511#define CHRDEV_MAJOR_DYN_EXT_END 384 // 第二区域倒着分配}...*dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor); 返回申请到的起始设备号return 0; // 0成功
}
// 静态注册一段连续的设备号
int register_chrdev_region(dev_t form, unsigned count, const char *name)
{...__register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next-n, name); // 按主设备号进行注册...
}
// 取消注册，对于动态申请的会给予释放
void unregister_chrdev_region(dev_t form, unsigned count)
{...
}

1.6 设备计数

一份驱动可能会适配到多个硬件设备，则设备名需要递增，就需要一个静态数据进行累加，该数据需要原子属性，该属性通常由汇编实现，与CPU架构有关。

#include <linux/atomic.h>
typedef struct {int counter; // 就是个普通的整形，只是在执行读写操作时要采用专用函数，由函数确保原子操作
} atomic_t;// arch/csky/include/asm/atomic.h
int atomic_add_return(int i, atomic_t *v); // 加i并返回最新值
int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v); // 减i并返回最新值
...

2. probe

模块加载后，若驱动和设备的名称匹配，则会调用struct platform_driver->probe()函数，则我们可以再probe()中完成设备的初始化和注册动作。

int mac_probe(struct platform_device *pdev)
{struct driver_info *mac;int ret, instance_num;struct device *device;// 使用devm_前缀的函数，能够自动进行内存的释放，当然也可以手动释放// 申请一个结构体用于标记我们申请的各种内存，以便最后释放mac = mdev_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(struct driver_info), GFP_KERNEL);  // 错误返回NULLif (unlikely(mac == NULL)) {  // 预期不会出现de_err(&pdev->dev, "alloc mac failed\n"); // 内核日志函数，具备打印等级控制的功能ret = -ENOMEM;  // 内存不足goto go_ret;  // 驱动加载过程较多故需要采用goto语句，逐层返回}instance_num = atomic_add_return(1, &mac_instance_num) - 1;  // 获取当前已注册设备的数量，从0开始，后续若注册失败也不再回减，以免发生冲突#ifdef MODULE_MISC_DEVICE  // 杂项设备注册流程mac->miscdev.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR;  // 设置次设备号进行动态分配，当然也可以手动指定mac->miscdev.fops = &mac_file_operations; // 设备文件操作接口，我们稍后定义mac->miscdev.parent = &pdev_dev;  // 暂不清楚作用// C库中也有一个asprintf()函数作用类似mac->miscdev.name = devm_kasprintf(&pdev->dev, GFP_KERNEL, "%s%d", "mac", instance_num);  // 申请一块内存，用于存放格式化的字符串，该字符串用于设备文件名，错误返回NULLif (unlikely(mac->miscdev.name == NULL)) {de_err(&pdev->dev, "alloc miscdev name failed\n");ret = -ENOMEM;  // 内存不足goto go_kfree_mac;}ret = misc_register(&mac->miscdev);  // 杂项设备注册，返回值使用IS_ERR()检查if (IS_ERR(ret)) {de_err(&pdev->dev, "misc register[%s] failed\n", mac->miscdev.name);goto go_kfree_name;}
#else  // 以下是普通设备的注册流程cdev_init(&mac->cdev, &mac_file_operations);  // 静态初始化cdev，设备文件操作接口我们稍后定义mac->cdev.owner = THIS_MODULE;  // 指定当前模块为cdev拥有者，THIS_MODULE，是一个结构体指针ret = alloc_chrdev_region(&mac->cdev.dev, instance_num, 1, "mac");  // 申请设备号，当然也可以不用该函数，手动指定if (IS_ERR(ret)) {de_err(&pdev->dev, "alloc chrdev failed\n");goto go_kfree_mac;}ret = cdev_add(&mac->cdev, mac->cdev.dev, 1);  // 注册cdevif (IS_ERR(ret)) {de_err(&pdev->dev, "cdev add failed\n");goto go_unregister_chrdev;}mac->class = class_create(THIS_MODULE, "mac");  // 创建class，用于设备文件的创建if (IS_ERR(mac->class)) {de_err(&pdev->dev, "class create failed\n");goto go_cdev_del;}// 创建设备文件，文件名为mac%u格式化后的字符串device = device_create(mac->class, NULL, mac->cdev.dev, NULL, "mac%u", instance_num);if (IS_ERR(device)) {de_err(&pdev->dev, "device create failed\n");ret = PTR_ERR(device);goto go_class_destroy;}
#endifplatform_set_drvdata(pdev, mac); // 等同于pdev->dev.driver_data = mac;dev_info(&pdev->dev, "mac");return 0;#ifdef MODULE_MISC_DEVICEgoto go_misc_deregister;  // 不会运行到这
go_misc_deregister:misc_deregister(&mac->miscdev);
go_kfree_name:devm_kfree(&pdev->dev, (void *)mac->miscdev.name);
#elsegoto go_device_destory;  // 不会运行到这
go_device_destory:device_destory(mac->class, mac->cdev.dev);  // mac->cdev.dev是设备号
go_class_destroy:class_destroy(mac->class);
go_cdev_del:cdev_del(&mac->cdev);
go_unregister_chrdev:unregister_chrdev_region(mac->cdev.dev, 1);  // mac->cdev.dev是设备号
#endif
go_kfree_mac:devm_kfree(&pdev->dev, mac);
go_ret:return ret;
}

3. remove

有加载就有卸载，我们将probe()函数goto的内容拷贝过来即可。

int mac_remove(struct platform_device *pdev)
{struct driver_info *mac = platform_get_drvdata(pdev); // 等同于pdev->dev.driver_data#ifdef MODULE_MISC_DEVICEmisc_deregister(&mac->miscdev);devm_kfree(&pdev->dev, (void *)mac->miscdev.name);
#elsedevice_destory(mac->class, mac->cdev.dev);  // mac->cdev.dev是设备号class_destroy(mac->class);cdev_del(&mac->cdev);unregister_chrdev_region(mac->cdev.dev, 1);  // mac->cdev.dev是设备号
#endifdevm_kfree(&pdev->dev, mac);
}

4. 文件操作接口

Linux下一切皆文件，内核对文件的操作也做了抽象。

// include/linux/fs.h
struct file_operations {struct module *owner;ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);int (*open)(struct inode *, struct file *);int (*release)(struct *inode *, struct file *); // 实现close的动作...
}

暂时先实现几个空函数用于测试。

static int mac_open(struct inode *inode, struct file *file)
{printk("%s\n", __func__);return 0;
}
static int mac_close(struct *inode *, struct file *)
{printk("%s\n", __func__);return 0;
}
static ssize_t mac_read(struct file *file, char __user dst*, size_t len, loff_t *off)
{printk("%s\n", __func__);return 0;
}
static ssize_t mac_write(struct file *file, const char __user *src, size_t len, loff_t *off)
{printk("%s\n", __func__);return 0;
}
static struct file_operations mac_file_operations = {.owner = THIS_MODULE,.open = mac_open;.release = mac_close,.read = mac_read,.write = mac_write,
};

5. 用户程序

目前模块已经有设备文件了，就可以通过用户程序打开或关闭设备文件了。

main.c

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main(void)
{int fd;fd = open("/dev/mac0", O_RDWR);if (fd < 0) {perror("/dev/mac0");}close(fd);return 0;
}

编译、下载（略）、运行

# 主机上交叉编译
$ csky-abiv2-linux-gcc main.c -mcpu=ck860 -O2 -W -Wall -o test
# 板卡运行
$ insmod mac.ko
[77401.056269] mac mac.0: mac  # dev_info(&pdev->dev, "mac");打印的
$ ./test  # 执行用户程序
[77405.099229] mac_open  # mac_open()函数正常调用了
[77405.101611] mac_close
$ ls /dev/mac0 -l
crw-rw---- 1 root root 250, 0 Jan 1 21:29 /dev/mac0  # 字符设备文件，设备号250,0
$ cat /proc/devices  # 这里记录了系统中所有的设备号信息
Character devices:
...
250 mac
...
$ cat /sys/class/mac/mac0/dev   # 查看/sys/class中的文件
250:0
$ rmmod
[77912.745661] mac_release

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