Linux驱动修炼之道-混杂设备

努力成为linux kernel hacker的人李万鹏原创作品，为梦而战。转载请标明出处

http://blog.csdn.net/woshixingaaa/archive/2011/05/17/6426095.aspx

在Linux驱动中把无法归类的五花八门的设备定义为混杂设备(用miscdevice结构体表述)。miscdevice共享一个主设备号MISC_MAJOR(即10)，但次设备号不同。所有的miscdevice设备形成了一个链表，对设备访问时内核根据次设备号查找对应的miscdevice设备，然后调用其file_operations结构中注册的文件操作接口进行操作。在内核中用struct miscdevice表示miscdevice设备，然后调用其file_operations结构中注册的文件操作接口进行操作。miscdevice的API实现在drivers/char/misc.c中。

下边是描述这个设备的结构体：

struct miscdevice  {	
	int minor;                               //次设备号	
	const char *name;                        //设备的名称	
	const struct file_operations *fops;     //文件操作	
	struct list_head list;                  //misc_list的链表头
	struct device *parent;                  //父设备(Linux设备模型中的东东了，哈哈)	
	struct device *this_device;             //当前设备，是device_create的返回值，下边会看到
};

然后来看看misc子系统的初始化函数：

static int __init misc_init(void) 
{ 
	int err; 
 
#ifdef CONFIG_PROC_FS 
	/*创建一个proc入口项*/
	proc_create("misc", 0, NULL, &misc_proc_fops);                 
#endif 
	/*在/sys/class/目录下创建一个名为misc的类*/
	misc_class = class_create(THIS_MODULE, "misc"); 
	err = PTR_ERR(misc_class); 
	if (IS_ERR(misc_class)) 
		goto fail_remove; 
 
	err = -EIO;
	/*注册设备，其中设备的主设备号为MISC_MAJOR，为10。设备名为misc，misc_fops是操作函数的集合*/ 
	if (register_chrdev(MISC_MAJOR,"misc",&misc_fops)) 
		goto fail_printk; 
	return 0; 
 
fail_printk: 
	printk("unable to get major %d for misc devices\n", MISC_MAJOR); 
	class_destroy(misc_class); 
fail_remove: 
	remove_proc_entry("misc", NULL); 
	return err; 
} 
/*misc作为一个子系统被注册到linux内核中*/
subsys_initcall(misc_init); 

下边是register_chrdev函数的实现：

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;
	/*主设备号是10，次设备号为从0开始，分配256个设备*/
	cd = __register_chrdev_region(major, 0, 256, name);
	if (IS_ERR(cd))
		return PTR_ERR(cd);
	/*分配字符设备*/
	cdev = cdev_alloc();
	if (!cdev)
		goto out2;

	cdev->owner = fops->owner;
	cdev->ops = fops;
	/*Linux设备模型中的,设置kobject的名字*/
	kobject_set_name(&cdev->kobj, "%s", name);
	for (s = strchr(kobject_name(&cdev->kobj),'/'); s; s = strchr(s, '/'))
		*s = '!';
	/*把这个字符设备注册到系统中*/	
	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;
}

来看看这个设备的操作函数的集合：

static const struct file_operations misc_fops = { 
	.owner		= THIS_MODULE, 
	.open		= misc_open, 
}; 

可以看到这里只有一个打开函数，用户打开miscdevice设备是通过主设备号对应的打开函数，在这个函数中找到次设备号对应的相应的具体设备的open函数。它的实现如下：

static int misc_open(struct inode * inode, struct file * file) 
{ 
	int minor = iminor(inode); 
	struct miscdevice *c; 
	int err = -ENODEV; 
	const struct file_operations *old_fops, *new_fops = NULL; 
	
	lock_kernel(); 
	mutex_lock(&misc_mtx); 
	/*找到次设备号对应的操作函数集合，让new_fops指向这个具体设备的操作函数集合*/
	list_for_each_entry(c, &misc_list, list) { 
		if (c->minor == minor) { 
			new_fops = fops_get(c->fops);		 
			break; 
		} 
	} 
		 
	if (!new_fops) { 
		mutex_unlock(&misc_mtx); 
		/*如果没有找到，则请求加载这个次设备号对应的模块*/
		request_module("char-major-%d-%d", MISC_MAJOR, minor); 
		mutex_lock(&misc_mtx); 
 		/*重新遍历misc_list链表，如果没有找到就退出，否则让new_fops指向这个具体设备的操作函数集合*/
		list_for_each_entry(c, &misc_list, list) { 
			if (c->minor == minor) { 
				new_fops = fops_get(c->fops); 
				break; 
			} 
		} 
		if (!new_fops) 
			goto fail; 
	} 
 
	err = 0; 
	/*保存旧打开函数的地址*/
	old_fops = file->f_op; 
	/*让主设备号的操作函数集合指针指向具体设备的操作函数集合*/
	file->f_op = new_fops; 
	if (file->f_op->open) {
		/*使用具体设备的打开函数打开设备*/ 
		err=file->f_op->open(inode,file); 
		if (err) { 
			fops_put(file->f_op); 
			file->f_op = fops_get(old_fops); 
		} 
	} 
	fops_put(old_fops); 
fail: 
	mutex_unlock(&misc_mtx); 
	unlock_kernel(); 
	return err; 
} 

再来看看misc子系统对外提供的两个重要的API,misc_register,misc_deregister：

int misc_register(struct miscdevice * misc) 
{ 
	struct miscdevice *c; 
	dev_t dev; 
	int err = 0; 
 	/*初始化misc_list链表*/
	INIT_LIST_HEAD(&misc->list); 
	mutex_lock(&misc_mtx); 
	/*遍历misc_list链表，看这个次设备号以前有没有被用过，如果次设备号已被占有则退出*/
	list_for_each_entry(c, &misc_list, list) { 
		if (c->minor == misc->minor) { 
			mutex_unlock(&misc_mtx); 
			return -EBUSY; 
		} 
	} 
 	/*看是否是需要动态分配次设备号*/
	if (misc->minor == MISC_DYNAMIC_MINOR) {
		/*
		 *#define DYNAMIC_MINORS 64 /* like dynamic majors */
		 *static unsigned char misc_minors[DYNAMIC_MINORS / 8]; 
		 *这里存在一个次设备号的位图，一共64位。下边是遍历每一位，
		 *如果这位为0，表示没有被占有，可以使用，为1表示被占用。		 
 		 */
		int i = DYNAMIC_MINORS; 
		while (--i >= 0) 
			if ( (misc_minors[i>>3] & (1 << (i&7))) == 0) 
				break; 
		if (i<0) { 
			mutex_unlock(&misc_mtx); 
			return -EBUSY; 
		} 
		/*得到这个次设备号*/
		misc->minor = i;                                         
	} 
 	/*设置位图中相应位为1*/
	if (misc->minor < DYNAMIC_MINORS) 
		misc_minors[misc->minor >> 3] |= 1 << (misc->minor & 7); 
	/*计算出设备号*/
	dev = MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor); 
 	/*在/dev下创建设备节点，这就是有些驱动程序没有显式调用device_create，却出现了设备节点的原因*/
	misc->this_device = device_create(misc_class, misc->parent, dev, NULL, 
					  "%s", misc->name); 
	if (IS_ERR(misc->this_device)) { 
		err = PTR_ERR(misc->this_device); 
		goto out; 
	} 
 
	/* 
	 * Add it to the front, so that later devices can "override" 
	 * earlier defaults 
	 */ 
	/*将这个miscdevice添加到misc_list链表中*/
	list_add(&misc->list, &misc_list); 
 out: 
	mutex_unlock(&misc_mtx); 
	return err; 
} 

这个是miscdevice的卸载函数：

int misc_deregister(struct miscdevice *misc) 
{ 
	int i = misc->minor; 
 
	if (list_empty(&misc->list)) 
		return -EINVAL; 
 
	mutex_lock(&misc_mtx); 
	/*在misc_list链表中删除miscdevice设备*/
	list_del(&misc->list); 	
	/*删除设备节点*/							
	device_destroy(misc_class, MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor));           
	if (i < DYNAMIC_MINORS && i>0) {
		/*释放位图相应位*/ 
		misc_minors[i>>3] &= ~(1 << (misc->minor & 7)); 
	} 
	mutex_unlock(&misc_mtx); 
	return 0; 
} 

总结一下miscdevice驱动的注册和卸载流程：
misc_register:匹配次设备号->找到一个没有占用的次设备号(如果需要动态分配的话)->计算设备号->创建设备文件->miscdevice结构体添加到misc_list链表中。
misc_deregister:从mist_list中删除miscdevice->删除设备文件->位图位清零。