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从misc子系统到3+2+1设备识别驱动框架


misc子系统在Linux中是一个非常简单的子系统,但是其清晰的框架结构非常适合用来研究设备识别模型。本文从misc子系统的使用出发,通过了解其机制来总结一套的设备识别的驱动框架,即使用使用同一个驱动,向上提供多个设备文件接口,向下控制多个(相应的)设备,这就需要该驱动可以根据不同的设备文件来控制与之相应的设备。misc本身并不是一个针对某种具体设备的驱动框架, 而是一个管理设备的模型, 帮助我们设计出更通用的驱动

misc的使用

Linux 中有三大类设备:字符,网络,块设备,每一种设备又细分为很多类,比如字符设备就被预先分为很多种类,并在文件中标记了这些种类都使用了哪个主设备号,但即便如此,硬件千千万,总还是有漏网之鱼,对于这些难以划分类别的字符设备,Linux中使用"混杂",设备来统一描述,并分配给他们一个共同的主设备号10,只用此设备号进行区分设备,,这些设备主要包括随机数发生器,LCD,时钟发生器等。此外,和很多同样是对cdev进行再次封装的子系统一样,misc也会自动创建设备文件,免得每次写cdev接口都要使用class_create()和device_create()等。

内核中提供的misc对象:

//include/linux/miscdevice.h
 55 struct miscdevice  {    
 56         int minor;
 57         const char *name;
 58         const struct file_operations *fops;
 59         struct list_head list;
 60         struct device *parent;
 61         struct device *this_device;
 62         const char *nodename;
 63         umode_t mode;
 64 };

我们只要像字符设备一样实现fops接口再给一个minor即可,如果minor使用宏MISC_DYNAMIC_MINOR(其实就是255),内核会自动分配一个次设备号,其他的内核已经实现约定好的次设备号可以参考"include/linux/miscdevice.h"。万事具备之后只需使用下面的API注册/注销到内核

178 int misc_register(struct miscdevice * misc)
238 int misc_deregister(struct miscdevice *misc)

misc的分析

misc的使用是不是很简单?但麻雀虽小五脏俱全,正是因为misc精简的结构,我们可以很容易的抓到其中体现的分层思想,misc的设计方法体现在很多使用cdev作为接口的子系统,而其中的清晰的分层思想更是Linux驱动的两大支柱之一(另外一个是分离)。我们可以借鉴其中的设计思路,提升我们的驱动程序的质量。下面,我们简单的分析一下misc的内部机制。

misc_init

作为Linux的一个子系统,misc子系统在Linux启动过程中就会完成准备工作,主要包括初始化数据结构,创建相应的class,创建、初始化并注册cdev对象到内核等。有了这些基础,我们就可以使用misc的众多好处进行编程。

//drivers/char/misc.c
56 static const struct file_operations misc_fops = {
157         .owner          = THIS_MODULE,
158         .open           = misc_open,
159         .llseek         = noop_llseek,
160 };
268 static int __init misc_init(void)
269 {
272 #ifdef CONFIG_PROC_FS
273         proc_create("misc", 0, NULL, &misc_proc_fops);
274 #endif
275         misc_class = class_create(THIS_MODULE, "misc");
281         if (register_chrdev(MISC_MAJOR,"misc",&misc_fops))
282                 goto fail_printk;
283         misc_class->devnode = misc_devnode;
284         return 0;
292 }
293 subsys_initcall(misc_init);   

misc_init()
--293-->系统启动的过程中就会初始化misc子系统
--273-->根据系统配置,可能需要提供/proc接口
--275-->在/sysfs中创建一个类,名为misc
--281-->使用静态主设备号(10)、封装好的方法集misc_fops,register_chrdev()内部会创建一个cdev对象并使用这两个参数将其初始化并注册到内核,这个cdev对象将负责所有的混杂设备的设备号。关于cdev对象和设备号之间的关系参见cdev_map。
--158-->misc的cdev对象使用的fops,显然,至此和普通字符设备的调用过程一样,chrdev_open()->misc_open()。

misc_register

接下来,老规矩,我们从"XXX_register"开始分析,在Linux内核中,这些"XXX_register"往往就是一个设备对象注册到内核的接口,是研究当相应对象注册进去之后内核动作的最佳入口。

178 int misc_register(struct miscdevice * misc)
179 {  
180         dev_t dev;
187         if (misc->minor == MISC_DYNAMIC_MINOR) {
188                 int i = find_first_zero_bit(misc_minors, DYNAMIC_MINORS);
193                 misc->minor = DYNAMIC_MINORS - i - 1;
194                 set_bit(i, misc_minors);
195         } 
206         dev = MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor);
208         misc->this_device = device_create(misc_class, misc->parent, dev,
209                                           misc, "%s", misc->name);
210         if (IS_ERR(misc->this_device)) {
211                 int i = DYNAMIC_MINORS - misc->minor - 1;
212                 if (i < DYNAMIC_MINORS && i >= 0)
213                         clear_bit(i, misc_minors);
214                 err = PTR_ERR(misc->this_device);
216         }
222         list_add(&misc->list, &misc_list);
226 }

misc_register()
--187--> 如果指定的minor是动态分配,那么进入相关语句块。
--188--> 使dev用位图遍历API-find_first_zero_bit找到最小未用的设备号。
--193--> 得到分配好的次设备号。
--208--> (根据设备号)创建设备文件,使用的是misc_init中创建的misc_class,至此就可以实现misc设备文件的自动创建。就相当与我们在纯粹的cdev驱动中使用class_create()+device_create()创建设备文件。一个设备文件和一个设备号相联系,而misc的所有的设备号都和misc_init创建的cdev对象相联系,所以打开的任何一个misc设备文件首先回调的就是(chrdev_open()->)misc_open()。
--222--> 关键,将这个新分配的misc加入到misc链表中,用于管理所有的misc设备,便于misc_open()提取具体设备的fops。

misc_open

构建的misc子系统,将设备添加到了该子系统中,接下来我们来看一下应用层程序是如何打开一个misc设备的。由于misc也是一种字符设备,所以其提供的接口也是位于/dev中。但是正如misc的定义,其中的设备五花八门却共用同一个主设备号,这就意味着最终被chrdev_open回调的misc_open一定要具备根据被打开的不同文件为file结构准备不同的操作方法这一能力,即在驱动中实现对子设备的识别,或者称之为"多态"。

112 static int misc_open(struct inode * inode, struct file * file)
113 {
114         int minor = iminor(inode);
115         struct miscdevice *c;
116         int err = -ENODEV;
117         const struct file_operations *new_fops = NULL;
121         list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {
122                 if (c->minor == minor) {
123                         new_fops = fops_get(c->fops);           
124                         break;
125                 }
126         }
144         replace_fops(file, new_fops);
145         if (file->f_op->open) {
146                 file->private_data = c;
147                 err = file->f_op->open(inode,file);
148         }
152 }

misc_open()
--121-->遍历misc设备链表,根据被打开的设备的次设备号找到设备对象。
--123-->存储这个设备对象的操作方法集unique_fops。
--144-->将misc设备具体的操作方法集unique_fops替换到filp中的f_op中,这个位置原来是misc的cdev对象的fops,filp带着这个unique_fops从open()返回,就实现了不同的设备对应不同的操作方法,即面向对象的"多态"

3+2+1多设备识别驱动模型

通过上述对misc机制的分析,我们不难总结出一个支持设备识别的3+2+1驱动模型(3个函数+2个数据结构+1个封装):

  1. 初始化整个驱动组的xxx_init(),通常用模块加载函数或总线的probe函数实现;
  2. 用于注册一个子驱动的xxx_register(),需要EXPORT到符号表;
  3. 能够根据传入的inode识别具体的设备并将其操作方法集放到filp中的xxx_open()

+

  1. 用于存储每一个驱动对象的通用链表或数组+priv_data
  2. 用于存储子设备号的位图。

+

  1. 将所有的不同的设备用一个统一的结构进行封装

至此,我们就可以写一写这个3+2+1驱动模型的模板。

1个封装

struct multidevice{
    struct list_head head;
    char *name[128];
    int minor;
    struct file_operations* fops;
    void *priv;     //私有数据,供read/write等接口识别的信息,以及其他数据都放这里
};

2个数据结构

struct list_head multi_dev_list;
unsigned int minors_map;   //根据设备号数目的不同选数据类型or数组

3个函数

int major,baseminor = 0,max_dev = sizeof(minors_map)*8;
#define DEV_NAME "multi_device"
struct class *cls;
xxx_open(struct inode *inode,struct file *file){
    int minor = iminor(inode);
         struct multidevice *dp;
         const struct file_operations *new_fops = NULL;
                  list_for_each_entry(dp, &multi_dev_list, head) {
                     if (dp->minor == minor) {
                         new_fops = fops_get(dp->fops);           
                         break;
                 }
         }
         replace_fops(file, new_fops);
         if (file->f_op->open) {
                 file->private_data = dp
                 file->f_op->open(inode,file);
         }
}

xxx_init(void){
    dev_t devno,
    INIT_LIST_HEAD(&multi_dev_list);
    init_map(&minors_map);
    struct cdev *multi_cdev = cdev_alloc();
    cdev_init(multi_cdev, multi_fops);
    alloc_chrdev_region(&devno, baseminor, count,DEV_NAME);
    major = MAJOR(devno);
    cdev_add(multi_cdev , devno, count);
    cls = class_create(THIS_MODULE, DEV_NAME);
}
/*---------------下面是给待加驱动用的----------------------*/
xxx_register(struct *multidevice dev){
            dev_t dev;
         if (dev->minor == MISC_DYNAMIC_MINOR) {
                 int i = find_first_zero_bit(minors_map, DYNAMIC_MINORS);
                 dev->minor = DYNAMIC_MINORS - i - 1;
                 set_bit(i, minors_map);
         } 
         dev_t pri_devno = MKDEV(major, dev->minor);
         device_create(multi_class, NULL, pri_devno, "%s%d", dev->name,dev->minor);
         list_add(dev->head, &multi_dev_list);
}
EXPORT_SYMBOL(xxx_register)

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