周谈(33)-字符设备驱动

前言

继续驱动学习小结。字符设备驱动是驱动架构的基础。

字符设备驱动

字符设备的关键数据结构有cdev、file_operations

cdev描述了一个字符设备的信息。file_operations描述了驱动提供给虚拟文件系统的接口。

struct cdev {
	struct kobject kobj;
	struct module *owner;
	const struct file_operations *ops; /* 文件操作*/
	struct list_head list;
	dev_t dev; // 设备号  12位主设备号 + 20位次设备号
	unsigned int count; 
} __randomize_layout;

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 (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
	int (*iopoll)(struct kiocb *kiocb, struct io_comp_batch *,
			unsigned int flags);
	int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
	int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
	__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
	long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
	int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
	unsigned long mmap_supported_flags;
	int (*open) (struct inode *, struct file *);
	int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
	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 *);
	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 (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
	ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
	ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
	int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
	long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
			  loff_t len);
	void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMU
	unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
	ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,
			loff_t, size_t, unsigned int);
	loff_t (*remap_file_range)(struct file *file_in, loff_t pos_in,
				   struct file *file_out, loff_t pos_out,
				   loff_t len, unsigned int remap_flags);
	int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
} __randomize_layout;

void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *);
struct cdev *cdev_alloc(void);
int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
void cdev_del(struct cdev *);
void cdev_put(struct cdev *p);

内核提供了对cdev进行操作的接口，主要功能如下：

• cdev_init 关联cdev和file_operations结构
• cdev_alloc 申请一个cdev结构空间
• cdev_add, cdev_del 往系统添加/删除一个cdev描述的字符设备， 一般分别在驱动probe, remove中调用。
• cdev_put 字符模块驱动的解引用， 引用一般在访问接口内部实现。

设备号的申请释放

在调用cdev_add 前，需要调用register_chrdev_region或者alloc_chrdev_region向系统申请设备号。register_chrdev_region是已知主设备号时调用， alloc_chrdev_region则是不提供主设备号，由系统自动分配。

/**
 * register_chrdev_region() - register a range of device numbers
 * @from: the first in the desired range of device numbers; must include
 *        the major number.
 * @count: the number of consecutive device numbers required
 * @name: the name of the device or driver.
 *
 * Return value is zero on success, a negative error code on failure.
 */
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);

/**
 * alloc_chrdev_region() - register a range of char device numbers
 * @dev: output parameter for first assigned number
 * @baseminor: first of the requested range of minor numbers
 * @count: the number of minor numbers required
 * @name: the name of the associated device or driver
 *
 * Allocates a range of char device numbers.  The major number will be
 * chosen dynamically, and returned (along with the first minor number)
 * in @dev.  Returns zero or a negative error code.
 */
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,
			const char *name);

文件操作

文件操作提供几个接口，主要实现如下的功能：

• llseek 设置文件当前位置
• read 读取文件数据
• write 写入文件数据
• unlocked_ioctl 非读写操作，对应fcntl, ioctl等的接口
• mmap 将设备内存映射到进程空间
• open 打开文件
• poll 询问设备是否可以被非阻塞的读写
• aio_read, aio_write 异步读写操作

读写文件传入的地址都是用户空间的地址，用户空间不能直接访问内核的内存，需要通过copy_from_user, copy_to_user函数来实现数据的复制。在这两个函数中，会判断传入的地址是否是用户空间，防止随意改写了内核空间导致出现不可预料的错误。

在具体的实现中，在open接口中会把设备对应的cdev指针设置到file文件对应的私有数据private_data成员上，这样在其他接口中，可以很方便的从file指针获取到对应的cdev空间，从而访问相应的空间。

用户空间调用

加载驱动模块后，对应的/proce/devices就可以看到对应的设备。这个时候需要手动在/dev目录下，使用mknod创建一个文件跟设备关联起来。

mknod /dev/globalmem c 230 0  # 创建字符设备文件 对应主设备号230， 次设备号 0

然后使用echo xxx > 或者 cat 就会调用到对应的write和read函数了。

更多

字符设备主要就是一个cdev和file_operation结构。通过申请好设备号，然后注册到系统，手动创建文件关联设备，然后就可以在用户空间访问到驱动接口了。

其他

这周项目组来了几个应届的新人，安排每个老同事带一个新人，结成个师徒关系吧，还宣布带新人也要占工作的40%绩效。说实话，项目组里的基本都是新人，除了两个呆了有一年以上的，其他的老同事也基本上是今年社招入职的，大部分都是跨领域的，有的也只是工作经验吧，也都是在学习的阶段。

嗯，这算是我第二次带新人了，上一次是好多年前了。参照某为的新人试用期机制，以及这几个月我工作的心得，给安排了一些学习要点和minitask，先让他自己看了一周，动手学习并完成给定的任务，并及时输出总结文档。

现在发现的一个最主要问题就是缺少主动沟通，很少提问，需要我这边主动找他才有反馈。要求每天反馈的日报，也没有严格执行，要求整理总结文档也没有。本来担心他日报没啥写的，就让他晚上九点前给日报的，这周五的日报就没发了，相应的进度也有些慢，看来还是压力没有给到位，没有紧迫感，执行力不强。

也许我对新人的期望高了一些，需要转变一下策略，得主动先给他讲一下再安排任务，直接给任务的话，他也不及时沟通确认任务，问一下都是明白了，做起来却不是一回事。

00后都出来工作了，我们这些老骨头也要加强学习了，各方面都得加强。

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行动，才不会被动!

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