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浅浅讲解字符设备编号的注册分配

发布: 2023年2月14日 10:17:50

内核中所有已分配的字符设备编号都记录在一个名为 chrdevs 散列表里。该散列表中的每一个元素是一个 char_device_struct 结构，它的定义如下：

static struct char_device_struct { struct char_device_struct *next; // 指向散列冲突链表中的下一个元素的指针 unsigned int major; // 主设备号 unsigned int baseminor; // 起始次设备号 int minorct; // 设备编号的范围大小 char name[64]; // 处理该设备编号范围内的设备驱动的名称 struct file_operations *fops; // 没有使用 struct cdev *cdev; // 指向字符设备驱动程序描述符的指针 } *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

注 意，内核并不是为每一个字符设备编号定义一个 char_device_struct 结构，而是为一组对应同一个字符设备驱动的设备编号范围定义一个 char_device_struct 结构。chrdevs 散列表的大小是 255，散列算法是把每组字符设备编号范围的主设备号以 255 取模插入相应的散列桶中。同一个散列桶中的字符设备编号范围是按起始次设备号递增排序的。

注册
内核提供了三个函数 来注册一组字符设备编号，这三个函数分别是 register_chrdev_region()、alloc_chrdev_region() 和 register_chrdev()。这三个函数都会调用一个共用的 __register_chrdev_region() 函数来注册一组设备编号范围（即一个 char_device_struct 结构）。所以下面先来看一下 __register_chrdev_region() 函数的实现代码。

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; cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL); if (cd == NULL) return ERR_PTR(-ENOMEM); mutex_lock(&chrdevs_lock); if (major == 0) { for (i = ARRAY_SIZE(chrdevs)-1; i > 0; i--) if (chrdevs[i] == NULL) break; if (i == 0) { ret = -EBUSY; goto out; } major = i; ret = major; } cd->major = major; cd->baseminor = baseminor; cd->minorct = minorct; strncpy(cd->name,name, 64); i = major_to_index(major); for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next) if ((*cp)->major > major || ((*cp)->major == major && ( ((*cp)->baseminor >= baseminor) || ((*cp)->baseminor + (*cp)->minorct > baseminor)) )) break; /* Check for overlapping minor ranges. */ if (*cp && (*cp)->major == major) { int old_min = (*cp)->baseminor; int old_max = (*cp)->baseminor + (*cp)->minorct - 1; int new_min = baseminor; int new_max = baseminor + minorct - 1; /* New driver overlaps from the left. */ if (new_max >= old_min && new_max <= old_max) { ret = -EBUSY; goto out; } /* New driver overlaps from the right. */ if (new_min <= old_max && new_min >= old_min) { ret = -EBUSY; goto out; } } cd->next = *cp; *cp = cd; mutex_unlock(&chrdevs_lock); return cd;out: mutex_unlock(&chrdevs_lock); kfree(cd); return ERR_PTR(ret);}

函数 __register_chrdev_region() 主要执行以下步骤：

  1. 分配一个新的 char_device_struct 结构，并用 0 填充。
  2. 如果申请的设备编号范围的主设备号为 0，那么表示设备驱动程序请求动态分配一个主设备号。动态分配主设备号的原则是从散列表的最后一个桶向前寻找，那个桶是空的，主设备号就是相应散列桶的序 号。所以动态分配的主设备号总是小于 256，如果每个桶都有字符设备编号了，那动态分配就会失败。
  3. 根据参数设置 char_device_struct 结构中的初始设备号，范围大小及设备驱动名称。
  4. 计算出主设备号所对应的散列桶，为新的 char_device_struct 结构寻找正确的位置。同时，如果设备编号范围有重复的话，则出错返回。
  5. 将新的 char_device_struct 结构插入散列表中，并返回 char_device_struct 结构的地址。


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分析完 __register_chrdev_region() 后，我们来一个个看那三个注册函数。首先是 register_chrdev_region()。

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name){ struct char_device_struct *cd; dev_t to = from + count; dev_t n, next; for (n = from; n < to; n = next) { next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0); if (next > to) next = to; cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n, name); if (IS_ERR(cd)) goto fail; } return 0;fail: to = n; for (n = from; n < to; n = next) { next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0); kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n)); } return PTR_ERR(cd);}

register_chrdev_region() 函数用于分配指定的设备编号范围。如果申请的设备编号范围跨越了主设备号，它会把分配范围内的编号按主设备号分割成较小的子范围，并在每个子范围上调用 __register_chrdev_region() 。如果其中有一次分配失败的话，那会把之前成功分配的都全部退回。

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name){ struct char_device_struct *cd; cd = __register_chrdev_region(0, baseminor, count, name); if (IS_ERR(cd)) return PTR_ERR(cd); *dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor); return 0;}

alloc_chrdev_region() 函数用于动态申请设备编号范围，这个函数好像并没有检查范围过大的情况，不过动态分配总是找个空的散列桶，所以问题也不大。通过指针参数返回实际获得的起始设备编号。

int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, const struct file_operations *fops){ struct char_device_struct *cd; struct cdev *cdev; char *s; int err = -ENOMEM; cd = __register_chrdev_region(major, 0, 256, 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); for (s = strchr(kobject_name(&cdev->kobj),'/'); s; s = strchr(s, '/')) *s = '!'; err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, 0), 256); if (err) goto out; cd->cdev = cdev; return major ? 0 : cd->major;out: kobject_put(&cdev->kobj);out2: kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, 0, 256)); return err;}

最 后一个 register_chrdev() 是一个老式分配设备编号范围的函数。它分配一个单独主设备号和 0 ~ 255 的次设备号范围。如果申请的主设备号为 0 则动态分配一个。该函数还需传入一个 file_operations 结构的指针，函数内部自动分配了一个新的 cdev 结构。关于这些，在后续讲字符设备驱动的注册时会说明。

注销
和 注册分配字符设备编号范围类似，内核提供了两个注销字符设备编号范围的函数，分别是 unregister_chrdev_region() 和 unregister_chrdev() 。它们都调用了 __unregister_chrdev_region() 函数。由于比较简单，就不加说明了，只把代码贴出来。

static struct char_device_struct * __unregister_chrdev_region(unsigned major, unsigned baseminor, int minorct){ struct char_device_struct *cd = NULL, **cp; int i = major_to_index(major); mutex_lock(&chrdevs_lock); for (cp = &chrdevs[i]; *cp; cp = &(*cp)->next) if ((*cp)->major == major && (*cp)->baseminor == baseminor && (*cp)->minorct == minorct) break; if (*cp) { cd = *cp; *cp = cd->next; } mutex_unlock(&chrdevs_lock); return cd;}void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count){ dev_t to = from + count; dev_t n, next; for (n = from; n < to; n = next) { next = MKDEV(MAJOR(n)+1, 0); if (next > to) next = to; kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n)); }}void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name){ struct char_device_struct *cd; cd = __unregister_chrdev_region(major, 0, 256); if (cd && cd->cdev) cdev_del(cd->cdev); kfree(cd);}

注意， unregister_chrdev() 会把 register_chrdev() 中自动分配的 cdev 给注销掉。

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