linux进阶：字符设备

2023-08-13 15:39 由 Couvrir洪荒猛兽发表于 #操作系统

设计字符设备

文件系统调用系统IO的内核处理过程

inode索引节点是文件系统中的一种数据结构，用于存储文件的元数据信息，包括文件的大小、访问权限、创建时间、修改时间等。每个文件在文件系统中都对应着一个唯一的inode节点，通过inode节点可以查找到文件的实际数据块的位置。inode节点通常存储在磁盘的inode表中，文件系统通过inode号来访问和管理文件。

file_operation结构体是函数指针表，用于定义文件的操作方法。当应用程序通过文件描述符打开文件时，内核会根据文件描述符找到对应的inode节点，并获取与inode节点关联的file_operation表。通过file_operation表中的函数指针，内核可以调用相应的函数来执行文件操作，如open、read、write、close等。不同内核可以有不同的file_operation表，因为不同的内核可能有不同的文件操作方法和特性。

task_struct结构体用于描述和管理进程，内容很多很复杂。里面有个成员变量是struct files_struct *files，用于存储与进程相关的文件描述符表的信息（文件描述符表记录了进程打开的文件以及相应的操作权限等信息）。要想获取进程的文件描述符相关信息，需要通过访问task_struct结构体的files指针来获取files_struct结构体，进而访问文件描述符表的信息。

files_struct结构体用于跟踪和管理进程打开的文件。fd_array[]为指针数组，用于存储进程打开的文件描述符的信息，即每个文件描述符都对应一个files_struct。通过fd_array数组可以快速访问和操作这些文件描述符，数组索引值对应着文件描述符的值。

硬件层原理

思路：把底层寄存器配置操作放在文件操作接口里，新建一个文件绑定该文件操作接口，应用程序通过操作指定文件来配置底层寄存器。

基本接口实现：查原理图，数据手册，确定底层需要配置的寄存器。类似于裸机开发。实现一个文件的底层操作接口，这是文件的基本特征。

struct file_operations存放在ebf-buster-linux/include/linux/fs.h。

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 (*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);
        int (*clone_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t, u64);
        int (*dedupe_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t, u64);
        int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
} __randomize_layout;

几乎所有成员都是函数指针，用来实现文件的具体操作。

驱动层原理

把file_operations文件操作接口注册到内核，内核通过主次设备号来记录它。

构造驱动基本对象：struct cdev，里面记录具体的file_operations。

cdev_init()　　//把用户构建的file_operations结构体记录在内核驱动的基本对象

两个Hash表（帮助找到cdev结构体）

chrdevs：登记设备号。

__register_chrdev_region()

cdev_map->probe：保存驱动基本对象struct cdev。

cdev_add()

文件系统层原理

mknod + 主次设备号

构建一个新的设备文件，通过主次设备号在cdev_map中找到cdev->file_operations，把cdev->file_operations绑定到新的设备文件中。

到这一步，应用程序就可以使用open()、write()、read()等函数来控制设备文件了。

设备号的组成与哈希表

ebf-buster-linux/include/linux/kdev_t.h描述了设备号的具体构成。

/* 截取部分代码，关于设备号的描述 */
#define MINORBITS    20
#define MINORMASK    ((1U << MINORBITS) -1)
 
#define MAJOR(dev)   ((unsigned int)((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev)   ((unsigned int)((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

理论取值范围：

主设备号：2^12=4K

次设备号：2^20=1M

cat /proc/devices：查看已注册的设备号。

内核是希望一个设备驱动（file_operation）可以独自占有一个主设备号和多个次设备号，而通常一个设备文件绑定一个主设备号和一个次设备号，所以设备驱动与设备文件是一对一或者一对多的关系。

Hash Table（哈希表、散列表，数组和链表的混合使用）

以主设备号为编号，使用哈希函数f（major）= major % 255 来计算主设备号的对应数组下标。

主设备号冲突（如0、255，都挂载在数组0下标），则以次设备号为比较值来排序链表节点。

哈希函数的设计目标：链表节点尽量平均分布在各个数组元素中，提高查询效率。

设备号管理

关键的数据结构：char_device_struct（存放在ebf-buster-linux/fs/char_dev.c）

static struct char_device_struct {
        struct char_device_struct *next;    //指向下一个链表节点
        unsigned int major;                      //主设备号  
        unsigned int baseminor;               //次设备号 
        int minorct;                                 //次设备号的数量
        char name[64];                           //设备名称
        struct cdev *cdev;                       //内核字符对象（已丢弃）
} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

关键的函数：__register_chrdev_region(存放在ebf-buster-linux/fs/char_dev.c)

static struct char_device_struct * __register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor, int minorct, const char *name)
{
        struct char_device_struct *cd, **cp;
        int ret = 0;
        int i;

　　　　 /* 动态申请内存 */
        cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL);
        if (cd == NULL)　　return ERR_PTR(-ENOMEM);
　　　　 /* 加互斥锁保护资源 */
        mutex_lock(&chrdevs_lock);

        if (major == 0) {　　
　　　　　　　　　 /* 主设备号为0，从chadevs哈希表中查找一个空闲位置 */
                ret = find_dynamic_major();
                if (ret < 0) {
                        pr_err("CHRDEV \"%s\" dynamic allocation region is full\n", name);
                        goto out;
                }
　　　　　　　　　 /* 返回主设备号 */
                major = ret;　　
　　　　 }

        if (major >= CHRDEV_MAJOR_MAX) {
                pr_err("CHRDEV \"%s\" major requested (%u) is greater than the maximum (%u)\n", name, major, CHRDEV_MAJOR_MAX-1);
                ret = -EINVAL;
                goto out;
        }

　　　　 /* 保存参数 */
        cd->major = major;
        cd->baseminor = baseminor;
        cd->minorct = minorct;
        strlcpy(cd->name, name, sizeof(cd->name));

 　　　　/* 哈希函数，计算哈希表的位置 */
        i = major_to_index(major);
　　　　 /* 链表排序，按主设备号从小到大排序。如果主设备号相等，按次设备号从小到大排序，要考虑次设备号的最大值 */
        for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next)
                if ( (*cp)->major > major || ( (*cp)->major == major && ( ( (*cp)->baseminor >= baseminor ) || ( (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor) ) ) )　　break;

        /* 如果主设备号相等，检查次设备号是否存在冲突  */
        if (*cp && (*cp)->major == major) {
　　　　　　　　　 /* 获取链表节点的次设备号范围 */
                int old_min = (*cp)->baseminor;
                int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct - 1;
　　　　　　　　　 /* 获取新设备的次设备号范围 */
                int new_min = baseminor;
                int new_max = baseminor + minorct - 1;

                /* 判断新设备的次设备号最大值是否位于链表节点的次设备号范围  */
                if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) {
　　　　　　　　　　　　　　 /* 确定冲突，返回错误 */
                        ret = -EBUSY;
                        goto out;
                }

                /* 判断新设备的次设备号最小值是否位于链表节点的次设备号范围  */
                if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) {
　　　　　　　　　　　　　　 /* 确定冲突，返回错误 */
                        ret = -EBUSY;
                        goto out;
                }

　　　　　　　　　 /* 判断新设备的次设备号是否跨越链表节点的次设备号范围 */
                if (new_min < old_min && new_max > old_max) {
　　　　　　　　　　　　　　 /* 确定冲突，返回错误 */
                        ret = -EBUSY;
                        goto out;
                }
        }

　　　　 /* 插入新设备的链表节点 */
        cd->next = *cp;
        *cp = cd;
        mutex_unlock(&chrdevs_lock);
        return cd;
out:
        mutex_unlock(&chrdevs_lock);
        kfree(cd);
        return ERR_PTR(ret);
}

上诉函数主设备号相等，判断新旧次设备号三种错误图如下。

保存新注册的设备号到chrdevs哈希表中，防止设备号冲突。

主设备为0时，动态分配设备号（优先使用255~234，其次使用511~384）。主设备号最大为512。

保存file_operation结构体

关键数据结构：cdev（存放在ebf-buster-linux/include/linux/cdev.h）

struct cdev {
        struct kobject kobj;
        struct module *owner;
        const struct file_operations *ops;
        struct list_head list;
        dev_t dev;
        unsigned int count;
} __randomize_layout;

关键数据结构：kobj_map（与哈希表有关，存放在ebf-buster-linux/drivers/base/map.c）

struct kobj_map {
        struct probe {
                struct probe *next;
                dev_t dev;
                unsigned long range;
                struct module *owner;
                kobj_probe_t *get;
                int (*lock)(dev_t, void *);
                void *data;
        } *probes[255];
        struct mutex *lock;
};

关键函数：cdev_init（存放在ebf-buster-linux/fs/char_dev.c）

作用：保存file_operation到cdev中。

关键函数：cdev_add（存放在ebf-buster-linux/fs/char_dev.c）

作用：根据哈希函数保存cdev到probes哈希表中，方便内核查找file_operation使用。