Linux设备驱动-内核如何管理设备号

开篇

本文引用的内核代码参考来自版本。

在Linux系统中，每个注册到系统的设备都有一个编号，这个编号便是Linux系统中的设备号。

设备号作为一种系统资源，需要加以管理。否则，如果设备号与驱动程序对应关系错误，就会引起混乱或引起潜在的问题。

通过查看/proc/devices文件可以得到系统中注册的设备，第一列为主设备号，第二列为设备名称

$cat/proc/devicesCharacterdevices:1mem4/dev/vc/04tty4ttyS5/dev/tty5/dev/console5/dev/ptmx5ttyprintk6lp7vcs10misc13input21sgBlockdevices:7loop8sd9md11sr65sd66sd

设备号的构成

一个设备号由主设备号和次设备号构成。

主设备号对应设备驱动程序，同一类设备一般使用相同的主设备号。

次设备号由驱动程序使用，驱动程序用来描述使用该驱动的设备的序号，序号一般从0开始。

Linux设备号用dev_t类型的变量进行标识，这是一个32位无符号整数，内核源码定义为：

/*include/linux/*/typedefu32__kernel_dev_t;typedef__kernel_dev_tdev_t;

主设备号用dev_t的高12位表示，次设备号用dev_t低20位表示。

内核提供了几个宏定义，供驱动程序操作设备号时使用：

/*include/linux/kdev_*/defineMINORMASK((1UMINORBITS)-1)defineMINOR(dev)((unsignedint)((dev)MINORMASK))defineCHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE255staticstructchar_device_struct{structchar_device_struct*next;/*链表指针*/unsignedintmajor;/*主设备号*/unsignedintbaseminor;/*次设备号*/intminorct;/*此设备号个数*/charname[64];/*设备名称*/structcdev*cdev;/*willdie*/}*chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

定义结构体的同时，还定义了一个全局性的指针数组chrdevs，是内核用来分配和管理设备号的。数组中的每一个元素都是指向structchar_device_struct类型的指针。

函数register_chrdev_region()的主要功能是将驱动程序要使用的设备号记录到chrdevs数组中。

__register_chrdev_region()

核心处理函数__register_chrdev_region()内部，首先会分配一个structchar_device_struct类型的指针cd，然后对其进行初始化（已经去除无关代码）：

staticstructchar_device_struct*__register_chrdev_region(unsignedintmajor,unsignedintbaseminor,intminorct,constchar*name){cd=kzalloc(sizeof(structchar_device_struct),GFP_KERNEL);if(cd==NULL)returnERR_PTR(-ENOMEM);/*根据主设备号计算索引，搜索chrdevs数组，判断主设备号是否可用*/i=major_to_index(major);for(curr=chrdevs[i];curr;prev=curr,curr=curr-next){if(curr-majormajor)continue;if(curr-majormajor)break;if(curr-baseminor+curr-minorct=baseminor)continue;if(curr-baseminor=baseminor+minorct)break;gotoout;}/*初始化信息*/cd-major=major;cd-baseminor=baseminor;cd-minorct=minorct;strlcpy(cd-name,name,sizeof(cd-name));/*将分配的cd加入到chrdevs[i]中*/if(!prev){cd-next=curr;chrdevs[i]=cd;}else{cd-next=prev-next;prev-next=cd;}}

函数申请完内存资源后，开始扫描chrdevs数组，确保当前注册的设备号可用。如果设备号占用，函数返回错误码，即调用失败。

如果设备号可用，则用设备号和名字信息初始化。初始化完成后，将structchar_device_struct加入到内核管理设备号的链表中。

alloc_chrdev_region()

此函数由内核动态分配设备号，该函数的内核源码如下，关键部分已加注释：

/*_*/intalloc_chrdev_region(dev_t*dev,unsignedbaseminor,unsignedcount,constchar*name){structchar_device_struct*cd;/*向内核注册设备号*/cd=__register_chrdev_region(0,baseminor,count,name);if(IS_ERR(cd))returnPTR_ERR(cd);/*得到动态获取的首个设备号*/*dev=MKDEV(cd-major,cd-baseminor);return0;}

这个函数的核心处理也是由函数__register_chrdev_region()实现的。

与register_chrdev_region()相比，alloc_chrdev_region()在调用__register_chrdev_region()时，第一个参数为0。此时__register_chrdev_region()处理流程代码如下，

staticstructchar_device_struct*__register_chrdev_region(unsignedintmajor,unsignedintbaseminor,intminorct,constchar*name){cd=kzalloc(sizeof(structchar_device_struct),GFP_KERNEL);if(cd==NULL)returnERR_PTR(-ENOMEM);/*查找可用的主设备号*/f(major==0){ret=find_dynamic_major();if(ret0){pr_err("CHRDEV\"%s\"dynamicallocationregionisfull\n",name);gotoout;}major=ret;}}

在分配完成structchar_device_struct内存资源之后，通过find_dynamic_major()查找可用的主设备号。后续处理与register_chrdev_region()函数调用处理相同。

设备号分配成功后，将structchar_device_struct类型指针返回给alloc_chrdev_region()函数。然后再通过如下代码将新分派的设备号返回给alloc_chrdev_region()调用者：