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這兩個函數(shù)是字符設備初始化相關的內(nèi)核函數(shù)。

要想了解這兩個函數(shù)，必須要知道字符設備的架構，以及字符設備創(chuàng)建的流程。

關于字符設備可以參考下面這篇文章 《手把手教Linux驅動3-之字符設備架構詳解，有這篇就夠了》

一、字符設備架構

下面我們以兩個設備：LED、MPU6050為例來講解字符設備的架構

由上圖所示：

1、硬件

外設有MPU6050、LED兩個設備，他們通過外設電路連接到SOC的對應的引腳上。程序要操作外設，就要通過設置soc中對應的SFR來與外設交互。

2、驅動層

• 每一個字符設備都必須首先定義一個結構體變量struct cdev，并注冊到內(nèi)核中
• 所有的該變量在內(nèi)核中會通過鏈表進程管理，其中成員list用于將所有鏈表串接起來
• 用于操作外設的功能函數(shù)全部被封裝在struct file_operations中，包括read、write等
• 每一個字符設備都必須要有一個設備號，保存在成員dev中，
• 主、次設備號只能被分配一次
• 所有的字符設備號，都由數(shù)組chrdevs統(tǒng)一管理
• chrdevs是一個指針數(shù)組，成員類型為**struct char_device_struct ***，下標與字符設備號有一定的對應關系，
• **struct char_device_struct **中有成員：

unsigned int major; 
struct cdev *cdev;  

major : 是主設備號 cdev : 指向該字符設備號對應的cdev結構體

3、應用層、VFS層

• 用戶如果想操作硬件，必須調(diào)用內(nèi)核中的struct file_operations中的操作函數(shù)，
• 那么如何才能找到該結構體呢?必須要依賴文件節(jié)點來查找，可以通過以下命令來創(chuàng)建

mknod  /dev/led c 250 0 
 mknod 創(chuàng)建設備文件，可以使字符設備，也可以是塊設備 
 /dev/led 設備文件名 
 c  字符設備 
 250  主設備號 
 0    次設備號 

字符設備文件屬性中最重要的屬性就是字符設備號，該設備號和chedevs的下標有一定對應關系

• 通過mknod創(chuàng)建的文件，VFS層會分配一個結構體變量來維護該文件，類型為struct inode
• 每新建1個文件內(nèi)核都會創(chuàng)建不同的結構體變量與之對應
• 應用程序要操作某個字符設備，那么必須先通過系統(tǒng)調(diào)用open()來打開該字符設備
• 該函數(shù)會返回一個唯一的整型文件描述符，同時內(nèi)核中會分配結構體變量，類型為struct file，并與文件描述符一一對應，該結構體維護在struct task_struct中
• 每次打開某個文件，都會分配不同的文件描述符，所以需要用不同的變量來保存文件描述符

二、字符設備創(chuàng)建的流程

了解了架構之后，那么我們來看一下內(nèi)核中完整的創(chuàng)建字符設備的流程及對應的函數(shù)調(diào)用關系：

如下圖所示,字符設備的創(chuàng)建主要包括以下三個步驟：

1. 申請設備號
2. 初始化cdev
3. 注冊cdev 調(diào)用的函數(shù)見右側

下面是一個最簡單的額字符設備創(chuàng)建的實例

/*   
 *一口Linux 
 *2021.6.21 
 *version: 1.0.0 
*/ 
 
#include <linux/init.h> 
#include <linux/module.h> 
#include <linux/kdev_t.h> 
#include <linux/fs.h> 
#include <linux/cdev.h> 
 
static int major = 237; 
static int minor = 0; 
static dev_t devno; 
static struct cdev cdev; 
static int hello_open (struct inode *inode, struct file *filep) 
{ 
 printk("hello_open()\n"); 
 return 0; 
} 
static struct file_operations hello_ops =  
{ 
 .open = hello_open, 
}; 
static int hello_init(void) 
{ 
 int result; 
 int error;  
 printk("hello_init \n"); 
 devno = MKDEV(major,minor);  
 result = register_chrdev_region(devno, 1, "test"); 
 if(result<0) 
 { 
  printk("register_chrdev_region fail \n"); 
  return result; 
 } 
 cdev_init(&cdev,&hello_ops); 
 error = cdev_add(&cdev,devno,1); 
 if(error < 0) 
 { 
  printk("cdev_add fail \n"); 
  unregister_chrdev_region(devno,1); 
  return error; 
 } 
 return 0; 
} 
static void hello_exit(void) 
{ 
 printk("hello_exit \n"); 
 cdev_del(cdev); 
 unregister_chrdev_region(devno,1); 
 return; 
} 
module_init(hello_init); 
module_exit(hello_exit); 

該實例代碼主要功能：

1. 申請了字符設備號237
2. 初始化cdev，并注冊了cdev

應用程序如果要想使用，還必須創(chuàng)建字符設備節(jié)點

mknod /dev/test c 237 0 

這樣應用程序就可以通過設備節(jié)點/dev/test 調(diào)用到對應的內(nèi)核操作函數(shù).open = hello_open,

/*   
 *一口Linux 
 *2021.6.21 
 *version: 1.0.0 
*/ 
 
#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h> 
#include <fcntl.h> 
main() 
{ 
 int fd; 
 fd = open("/dev/test",O_RDWR); 
 if(fd<0) 
 { 
  perror("open fail \n"); 
  return; 
 } 
 printf("open ok \n "); 
} 

三、函數(shù)功能和定義

搞懂上面字符設備創(chuàng)建步驟之后，我們就可以來真正分析cdev_init、cdev_alloc這兩個函數(shù)了

1. cdev_init()

原型 
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops) 
 
功能 
 用于初始化cdev結構體，并填充其成員ops 
參數(shù) 
   cdev：字符設備 
   fops ：驅動操作函數(shù)集合 
返回值 
  無 

該函數(shù)實現(xiàn)如下：

/** 
 * cdev_init() - initialize a cdev structure 
 * @cdev: the structure to initialize 
 * @fops: the file_operations for this device 
 * 
 * Initializes @cdev, remembering @fops, making it ready to add to the 
 * system with cdev_add(). 
 */ 
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops) 
{ 
 memset(cdev, 0, sizeof *cdev); 
 INIT_LIST_HEAD(&cdev->list); 
 kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default); 
 cdev->ops = fops; 
} 

2. cdev_alloc

原型 
struct cdev *cdev_alloc(void) 
 
功能 
 用于分配cdev結構體，并添加到內(nèi)核中 
參數(shù) 
返回值 
  成功：返回分配的cdev結構體變量指針 
  失?。?nbsp;返回NULL 

該函數(shù)實現(xiàn)如下：

/** 
 * cdev_alloc() - allocate a cdev structure 
 * 
 * Allocates and returns a cdev structure, or NULL on failure. 
 */ 
struct cdev *cdev_alloc(void) 
{ 
 struct cdev *p = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL); 
 if (p) { 
  INIT_LIST_HEAD(&p->list); 
  kobject_init(&p->kobj, &ktype_cdev_dynamic); 
 } 
 return p; 
} 

注意，該函數(shù)分配的cdev需要free掉 該函數(shù)沒有初始化cdev->ops成員

四、cdev_alloc()的使用

該函數(shù)主要用于讓用戶省去操作cdev的操作，只需要提供**struct file_operations **變量就可以通過以下函數(shù)注冊字符設備

static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, 
      const struct file_operations *fops) 
{ 
 return __register_chrdev(major, 0, 256, name, fops); 
} 

其中函數(shù)__register_chrdev()定義如下：

/** 
 * __register_chrdev() - create and register a cdev occupying a range of minors 
 * @major: major device number or 0 for dynamic allocation 
 * @baseminor: first of the requested range of minor numbers 
 * @count: the number of minor numbers required 
 * @name: name of this range of devices 
 * @fops: file operations associated with this devices 
 * 
 * If @major == 0 this functions will dynamically allocate a major and return 
 * its number. 
 * 
 * If @major > 0 this function will attempt to reserve a device with the given 
 * major number and will return zero on success. 
 * 
 * Returns a -ve errno on failure. 
 * 
 * The name of this device has nothing to do with the name of the device in 
 * /dev. It only helps to keep track of the different owners of devices. If 
 * your module name has only one type of devices it's ok to use e.g. the name 
 * of the module here. 
 */ 
int __register_chrdev(unsigned int major, unsigned int baseminor, 
        unsigned int count, const char *name, 
        const struct file_operations *fops) 
{ 
 struct char_device_struct *cd; 
 struct cdev *cdev; 
 int err = -ENOMEM; 
 
 cd = __register_chrdev_region(major, baseminor, count, name); 
 if (IS_ERR(cd)) 
  return PTR_ERR(cd); 
 
 cdev = cdev_alloc(); 
 if (!cdev) 
  goto out2; 
 
 cdev->owner = fops->owner; 
 cdev->ops = fops; 
 kobject_set_name(&cdev->kobj, "%s", name); 
 
 err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, baseminor), count); 
 if (err) 
  goto out; 
 
 cd->cdev = cdev; 
 
 return major ? 0 : cd->major; 
out: 
 kobject_put(&cdev->kobj); 
out2: 
 kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, baseminor, count)); 
 return err; 
} 

可以看到該函數(shù)，復用了cdev_alloc()、cdev_add()，我們只需要提供以下3個參數(shù)即可：

unsigned int major  主設備號 
const char *name    設備號名字 
const struct file_operations *fops 驅動操作函數(shù)集合 

五、結論

cdev_alloc()函數(shù)相當于

struct cdev cdev; 
cdev_init($cdev,&hello_ops) 

本文轉載自微信公眾號「一口Linux」