13 字符设备驱动程序框架

更新设备结点inode的i_cdev成员； inode->i_cdev = p = new;
更系file结构的f_op成员； p = inode->i_cdev; filp->f_op = fops_get(p->ops);
调用底层的open函数； filp->f_op->open(inode,filp);
def_chr_fops
inode .i_rdev .i_fop
.open = chrdev_open (2)chrdev_open函数以 inode的主设备号为索引， 通过cdev_map找到cdev结构 lock
磁盘上的文件 /dev/xxx
硬件设备
结论
从上面分析字符设备的框架我们可以得出以下结论 ：
取消映射的宏是：iounmap(viraddr);
设备文件的自动建立
设备文件的建立有手动和自动两种方法来创建；
手动方法就是使用mknod命令来建立设备文件； 而自动创建设备文件的方法经历了很多的变化； 早期的自动建立设备文件是由内核去建立的，也就是说 内核有个功能模块（devfs）专门负责创建设备文件， 这个访问增加了内核的负担。现在已经被丢弃了。 现在自动创建设备文件的方法是通过用户的一个应用程 序mdev（udev）来实现。
跟打开的设备文件里面的信息有关
通过分析字符设备的代码来了解其核心过程
字符设备的源码在文件 fs/char_dev.c中，包括设备号 申请函数，cdev注册函数都在这个文件里面实现。
字符设备驱动框架
申请设备号的过程分析
设备号的注册或自动分配函数是下面两个
▶ alloc_chrdev_region() ▶ register_chrdev_region()
每一个文件对应 一个inode结构
inode .i_rdev .i_fop 磁盘上的文件 /dev/xxx
底层操作函 数，操作硬件
字符设备驱动框架
每一个设备都有自己的底层操作函数；也就是说每 一个设备都对应着自己的file_operations结构体； 那么打开的文件file->f_op指针应该指向那一个 file_operations结构体呢？或者说 file->f_op怎样找 到对应的file_operations呢？
file_operations 表示硬件操作函数的集合
字符设备驱动框架
三者的关系如下图
int fd = open(“/dev/xxx”,); file .f_op
应用层用fd表示打开 的文件，fd与内核的 file结构关联
file中的f_op成员指 向底层操作函数集
file_operations .open .release .read .write xxx_open xxx_release 硬件设备
操作硬件
而对于linux系统来说，启动了MMU单元，因此 CPU要访问的地址有要经过MMU，而不是直接操 作内存； 启动MMU之后，CPU发出的地址是虚地址； 相对应的实地址，就是真真实实的，由布板时候决 定的地址。 因此，在驱动程序里面，想要访问控制寄存器，就 必须建立实地址到虚地址的映射；通过映射后的 虚地址去访问相应的控制寄存器；
字符设备驱动框架
字符设备注册过程如下图：
cdev_map probe指针 probe指针 chrdevs[]
（1）自动分配设备号，就是在数组 chrdevs[]中申请一个空位 *probes[255] probe结构 .dev .*data
内核中
lock
（2）初始化cdev，就是使cdev.ops 指向底层操作函数 cdev结构 file_operations .ops .open .dev .release .read （3）注册cdev，就是将 .write cdev关联到全局的映射 cdev_map中 xxx_open xxx_release 硬件设备
编写字符设备驱动程序的流程如下：
▶编写底层操作函数 ▶在全局数据结构cdev_map中找到一个空位；（注册设备号） ▶ 将底层操作函数的集合填到cdev_map结构中；（注册cdev）
操作硬件
对于嵌入式的CPU来说，CPU里面集成了各种设 备的控制器，要对外设进行操作，主要是通过对于 控制器的寄存器来实现。 而对于ARM来说，控制器的寄存器跟内存是同一 编址的，访问控制器的寄存器就好像访问内存一样 。 例如：FS2410开发板上的LED灯对于GPF IO口寄 存器的地址如下：
//将inode->i_fop拷贝给F->f_op f->f_op = fops_get(inode->i_fop);
//调用Inode->i_fop->open() open = f->f_op->open; open(inode, f);
__dentry_open()函数最终会调 用inode->i_fop->open函数 我们知道，inode对应一个文件； 我们在创建一个设备文件时，就 是创建一个inode； 当我们在用户空间创建设备文件 时，对应的inode->i_fop指向 fs/char_dev.c中的def_chr_fops 。 def_chr_fops的成员open指向 chrdev_open()函数。
open系统调用分析
open系统调用分析
open系统调用的实现在fs/open.c文件中
sys_open()函数 do_sys_open()函数
ret=do_sys_open() //获取空的文件描述符号 int fd=get_unused_fd_flags(); //调用do_filp_open()打开文件 设置file结构体 //关联fd与file结构 fd_install(fd, f);
return f;
open系统调用分析
open系统调用的层次如下
int fd = open(“/dev/xxx”,); sys_open() do_sys_open() （1）系统调用sys_open经过重 do_filp_open() 重函数的调用，最终会调用文件 nameidata_to_filp() 结点inode的i_fop->open方法 内核中 __dentry_open() inode->i_fop->open() inode .i_rdev .i_fop 磁盘上的文件 /dev/xxx
return ret;
return fd;
open系统调用分析
而do_filp_open()函数会调用nameidata_to_filp()函 数，nameidata_to_filp()调用__dentry_open()；
__dentry_open()函数
//获取文件的inode信息 inode = dentry->d_inode;
字符设备驱动程序框架
教学回顾
字符设备驱动程序编写的流程 生成设备文件的命令是什么？
教学内容
字符设备驱动框架 open系统调用分析 操作硬件 设备文件的自动建立
教学要求
理解字符设备的框架 掌握操作硬件的方法 掌握自动生成设备文件的方法
字符设备驱动框架
file、inode、fileBiblioteka Baiduoperations之间的关系
.ops probe结构 .dev .dev .*data cdev结构 .ops .dev lock
字符设备驱动框架
内核使用一个数据结构cdev_map来记录系统中所 有的字符设备（cdev）; 而设备号的维护是由全局chrdevs[]来完成的； 在驱动模块入口函数中：
申请设备号：就是在数组chrdevs[]中找一个空位； 注册字符设备：就是将cdev添加到cdev_map中；
全局数组chrdevs[]当前的成员数为255，下标从0-254 ，也就是说，当前内核的字符设备主设备号范围 0254.
字符设备驱动框架
注册cdev分析
cdev结构的注册分两步，第一步是初始化cdev结构；第 二步是注册。cdev_add()函数分析如下：
cdev_map cdev_add()函数完成的动作如下： (1)创建一个probe结构体变量，并 用cdev出初始化这个变量； 如图：probe->data指向cdev； probe->dev 设备号
操作硬件
内核里面，通过一个宏来建立实地址到虚地址的映 射，这个宏是：
ioremap( paddr,size); 宏的第一个参数是要映射的实地址； 第二个参数是要映射的大小； 宏返回映射后的虚拟地址；
例如,GPF控制寄存的地址映射如下：
unsigned long viraddr; viraddr = ioremap(0x56000050 ,12 ); 通过 *(volatile unsigned long *)viraddr 就可以在 内核中访问GPF寄存器。
open系统调用总体过程
open系统调用的总体过程如下图：
int fd = open(“/dev/xxx”,); sys_open()
(1)系统调用最终 会调用inode的 i_fop->open file cdev_map probe指针 probe指针
.f_op
内核中
(3)将cdev结构中的ops 复给file的f_op； probe结构 .dev cdev结构 .*data .ops file_operations .dev .open .release .read .write xxx_open xxx_release
def_chr_fops
.open = chrdev_open
（2）而inode->i_fop指向 def_chr_fops，其成员open执行 函数chrdev_open()
硬件设备
open系统调用分析
chrdev_open函数分析
chrdev_open函数
从全局变量cdev_map中，以主设备号为索引找到cdev结构； kobj = kobj_lookup(cdev_map, inode->i_rdev, &idx); new = container_of(kobj, struct cdev, kobj);
两个函数都会调用__register_chrdev_region()函数； 这个函数完成如下操作：
▶如果是自动分配设备号
在全局数组chrdevs[ ]中找到一个空位，这个空位的数组下标就 是主设备号；设置这个空位。
▶如果是直接注册设备号
以主设备号为下标，找到数组chrdevs[ ]中的成员，设置这个成 员；
file 表示打开的文件 inode 表示保存在磁盘上的文件
▶所以硬盘格式化的时候，操作系统自动将硬盘分成两个区域。 一个是数据区，存放文件数据；另一个是inode区（inode table），存放inode所包含的信息。 ▶查看每个硬盘分区的inode总数和已经使用的数量。 df -i ▶查看每个inode节点的大小，可以用如下命令： sudo dumpe2fs -h /dev/hda | grep "Inode size"
设备文件的自动建立
从mdev的工作原理可以得出结论：
驱动程序只需要在/sys/class目录下创建相应的目录和 文件，就可以让mdev帮我们生成设备文件。 相关的函数如下： class_create(owner, name)；
设备文件的自动建立
mdev的工作原理
mdev扫描/sys/class目录下的dev属性文件； 从该dev 属性文件中获取到设备编号； 并以包含该dev属性文件的目录名称作为设备名 ； 在 /dev目录下创建相应的设备文件； 例如，在开发中：
设备文件名为 event0,主设备号是：13，次设备号 是64 mdev程序就根据这个来创建设备文件。
*probes[255] probe指针 probe指针 probe结构 .dev .*data cdev结构
.ops probe结构 .dev .dev .*data cdev结构
(2)在全局的字符设备映射 cdev_map的数组probes[]中，以主设 备号为下标，将probe结构体的地址 填进去。