Linux字符设备驱动程序工作机理分析

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1 本文主题
    本文主要分析Linux字符设备驱动程序的工作机理。主要内容以及代码片段来源于《LDD3》，俺只是从另外一个角度来讲述。
    见过很多关于驱动程序的书，基本上都是告诉你怎么做，然后你STEP BY STEP，然后运行完后结果就出来了，可是其背后到底是如何工作的呢？虽说《LDD3》也讲了很多原理性的东西，但是我觉得这个问题其描述得并不明确。

2 关于scull
    scull是《LDD3》的一个字符设备驱动程序，其加载之后会在文件系统下生成/dev/scull文件，在shell下可以对其进行一系列的操作，例如可以使用cp、dd或者输入输出重定向等命令来访问这个文件，也就是访问这个字符设备。

3 /dev/scull是如何生成的
    该文件是在驱动程序模块加载时生成的，具体实现是在scull_load（可以到www.oreilly.com下载，或者《LDD3_中文》的P51）这个脚本里。
    在shell下insmod了scull.ko之后，系统会在/proc/devices文件里生成设备名以及与之对应的主设备号信息，scull_load脚本根据该信息mknod了/dev/scull文件节点。
    注意下mknod时给的参数信息，其中注明了主设备号以及次设备号信息。

4 shell下操作/dev/scull是如何关联到我们自己编写的scull模块的
    这个问题一直困扰了我很久，不过现在我基本上算是弄明白了。

4.1 先回顾下scull模块程序的初始化操作里做了什么事情。
   
    搞驱动的都知道，初始化的时候需要进行设备注册，核心代码如下：
    static void scull_setup_cdev(struct scull_dev *dev, int index)
    {
        int err, devno = MKDEV(scull_major, scull_minor + index);

        cdev_init(&dev->cdev, &scull_fops);
        dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
        dev->cdev.ops = &scull_fops;
        err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
        ...
    }
   
    scull_fops是一个数组，其中保存了我们的scull实际的操作：
    struct file_operation scull_fops = {
        ...
        .open = scull_open,
        .read = scull_read,
        .write = scull_write,
        .release = scull_release,
        ...
    }
   
    cdev是struct cdev类型（该类型由系统定义）的变量，其嵌入在struct scull_dev（该类型由scull模块定义）中：
    struct scull_dev{
        ...
        struct cdev cdev;
        ...
    }
   
    从这句代码
    cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
    我们可以发现，设备号devno已经和内核内部结构cdev关联起来了。

4.2 /dev/scull设备的打开操作

    /dev/scull是文件系统中的一个设备文件，其在内核中由sturct inode结构表示。
   
    一般说来，inode结构下由两个元素和驱动程序有关：
    dev_t i_rdev;                 这个是设备号
    struct cdev *i_cdev;          这里是一个指针，struct cdev是字符设备在内核里的表示，注意我们在4.1小节里也提到了这个结构。
   
    也就是说，系统在打开/dev/scull之前仅知道inode信息。在4.1小节里已经说过了，设备号和内核内部结构cdev关联起来了，因此cdev下的ops也和设备号关联起来了，ops已经初始化为scull_fops。所以我们才能够通过inode中的设备号i_rdev定位到此时打开的是哪一个设备，从而去调用相应设备的open操作。

    看看open函数的原型吧：
    int (*open)(struct inode*, struct file*);
    第一个参数是struct inode类型的指针，该指针由内核传递过来，是设备文件在内核中的表示。
    第二个参数struct file类型的指针，open之后，设备文件在内核中就以struct file结构来表示了。

    看看open操作在scull里的实现吧：
    int scull_open(struct inode *inode, struct file *filp)
    {
        struct scull_dev *dev;

        dev = container_of(inode->i_cdev, struct scull_dev, cdev);
        filp->private_data = dev;
        ...
    }
    第一句代码通过宏container_of把包裹inode->i_cdev的结构提取出来了，该结构就是在scull模块里定以的struct scull_dev，其中包含了scull模块所需要的私有信息。
    第二句代码把该私有信息加入内核数据结构struct file，之前说过了，open后的文件在内核里以struct file结构表示。

4.3 /dev/scull的读写操作

    先看下读写操作的函数原型：
    ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write)(struct file*, char __user *, size_t, loff_t *);
    其参数内容我不做过多解释，注意其第一个参数是struct file类型的指针，该指针由内核传入，也就是open之后的那个文件指针。

    通过这个指针，能够找到scull模块的私有数据结构struct scull_dev，并对其操作，我们可以从read/write操作在scull里的实现看到这个做法：
    ssize_t scull_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
    {
        sturct scull_dev *dev = filp->private_data;
        int quantum = dev->quantum, qset = dev->qset;
        ...
    }
   
    ssize_t scull_write(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
    {
        sturct scull_dev *dev = filp->private_data;
        int quantum = dev->quantum, qset = dev->qset;