跟着内核学框架-从misc子系统到3+2+1设备识别驱动框架

misc子系统在Linux中是一个非常简单的子系统，但是其清晰的框架结构非常适合用来研究设备识别模型。本文从misc子系统的使用出发，通过了解其机制来总结一套的设备识别的驱动框架，即使用使用同一个驱动，向上提供多个设备文件接口，向下控制多个(相应的)设备，这就需要该驱动可以根据不同的设备文件来控制与之相应的设备。

misc的使用

Linux 中有三大类设备:字符，网络，块设备，每一种设备又细分为很多类，比如字符设备就被预先分为很多种类，并在文件中标记了这些种类都使用了哪个主设备号，但即便如此，硬件千千万，总还是有漏网之鱼，对于这些难以划分类别的字符设备，Linux中使用"混杂"，设备来统一描述，并分配给他们一个共同的主设备号10，只用此设备号进行区分设备，，这些设备主要包括随机数发生器，LCD，时钟发生器等。此外，和很多同样是对cdev进行再次封装的子系统一样，misc也会自动创建设备文件，免得每次写cdev接口都要使用class_create()和device_create()等。

内核中提供的misc对象:

//include/linux/miscdevice.h

 55 struct miscdevice  {

 56         int minor;

 57         const char *name;

 58         const struct file_operations *fops;

 59         struct list_head list;

 60         struct device *parent;

 61         struct device *this_device;

 62         const char *nodename;

 63         umode_t mode;

 64 };

我们只要像字符设备一样实现fops接口再给一个minor即可，如果minor使用宏MISC_DYNAMIC_MINOR(其实就是255)，内核会自动分配一个次设备号，其他的内核已经实现约定好的次设备号可以参考"include/linux/miscdevice.h"。万事具备之后只需使用下面的API注册/注销到内核

178 int misc_register(struct miscdevice * misc)

238 int misc_deregister(struct miscdevice *misc)

misc的分析

misc的使用是不是很简单？但麻雀虽小五脏俱全，正是因为misc精简的结构，我们可以很容易的抓到其中体现的分层思想，misc的设计方法体现在很多使用cdev作为接口的子系统，而其中的清晰的分层思想更是Linux驱动的两大支柱之一(另外一个是分离)。我们可以借鉴其中的设计思路，提升我们的驱动程序的质量。下面，我们简单的分析一下misc的内部机制。

misc_init

作为Linux的一个子系统，misc子系统在Linux启动过程中就会完成准备工作，主要包括初始化数据结构，创建相应的class，创建、初始化并注册cdev对象到内核等。有了这些基础，我们就可以使用misc的众多好处进行编程。

//drivers/char/misc.c

56 static const struct file_operations misc_fops = {

157         .owner          = THIS_MODULE,

158         .open           = misc_open,

159         .llseek         = noop_llseek,

160 };

268 static int __init misc_init(void)

269 {

272 #ifdef CONFIG_PROC_FS

273         proc_create("misc", 0, NULL, &misc_proc_fops);

274 #endif

275         misc_class = class_create(THIS_MODULE, "misc");

281         if (register_chrdev(MISC_MAJOR,"misc",&misc_fops))

282                 goto fail_printk;

283         misc_class->devnode = misc_devnode;

284         return 0;

292 }

293 subsys_initcall(misc_init);

misc_register

接下来，老规矩，我们从"XXX_register"开始分析，在Linux内核中，这些"XXX_register"往往就是一个设备对象注册到内核的接口，是研究当相应对象注册进去之后内核动作的最佳入口。

178 int misc_register(struct miscdevice * misc)

179 {

180         dev_t dev;

187         if (misc->minor == MISC_DYNAMIC_MINOR) {

188                 int i = find_first_zero_bit(misc_minors, DYNAMIC_MINORS);

193                 misc->minor = DYNAMIC_MINORS - i - 1;

194                 set_bit(i, misc_minors);

195         }

206         dev = MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor);

208         misc->this_device = device_create(misc_class, misc->parent, dev,

209                                           misc, "%s", misc->name);

210         if (IS_ERR(misc->this_device)) {

211                 int i = DYNAMIC_MINORS - misc->minor - 1;

212                 if (i < DYNAMIC_MINORS && i >= 0)

213                         clear_bit(i, misc_minors);

214                 err = PTR_ERR(misc->this_device);

216         }

222         list_add(&misc->list, &misc_list);

226 }

misc_open

构建的misc子系统，将设备添加到了该子系统中，接下来我们来看一下应用层程序是如何打开一个misc设备的。由于misc也是一种字符设备，所以其提供的接口也是位于/dev中。但是正如misc的定义，其中的设备五花八门却共用同一个主设备号，这就意味着最终被chrdev_open回调的misc_open一定要具备根据被打开的不同文件为file结构准备不同的操作方法这一能力，即在驱动中实现对子设备的识别，或者称之为"多态"。

112 static int misc_open(struct inode * inode, struct file * file)

113 {

114         int minor = iminor(inode);

115         struct miscdevice *c;

116         int err = -ENODEV;

117         const struct file_operations *new_fops = NULL;

121         list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {

122                 if (c->minor == minor) {

123                         new_fops = fops_get(c->fops);

124                         break;

125                 }

126         }

144         replace_fops(file, new_fops);

145         if (file->f_op->open) {

146                 file->private_data = c;

147                 err = file->f_op->open(inode,file);

148         }

152 }

3+2+1多设备识别驱动模型

通过上述对misc机制的分析，我们不难总结出一个支持设备识别的3+2+1驱动模型(3个函数+2个数据结构+1个封装):

初始化整个驱动组的xxx_init()，通常用模块加载函数或总线的probe函数实现;
用于注册一个子驱动的xxx_register()，需要EXPORT到符号表;
能够根据传入的inode识别具体的设备并将其操作方法集放到filp中的xxx_open()。

用于存储每一个驱动对象的通用链表或数组+priv_data
用于存储子设备号的位图。

将所有的不同的设备用一个统一的结构进行封装

至此，我们就可以写一写这个3+2+1驱动模型的模板。

1个封装

struct multidevice{

    struct list_head head;

    int minor;

    struct file_operations* fops;

    void *priv;     //私有数据，供read/write等接口识别的信息，以及其他数据都放这里

};

2个数据结构

struct list_head multi_dev_list;

unsigned int minors_map;   //根据设备号数目的不同选数据类型or数组

3个函数

int major,baseminor = 0,max_dev = sizeof(minors_map)*8;

#define DEV_NAME "multi_device"

struct class *cls;

xxx_open(struct inode *inode,struct file *file){

    int minor = iminor(inode);

         struct multidevice *dp;

         const struct file_operations *new_fops = NULL;

                  list_for_each_entry(dp, &multi_dev_list, head) {

                     if (dp->minor == minor) {

                         new_fops = fops_get(dp->fops);

                         break;

                 }

         }

         replace_fops(file, new_fops);

         if (file->f_op->open) {

                 file->private_data = dp

                 file->f_op->open(inode,file);

         }

}

xxx_init(void){

    dev_t devno,

    INIT_LIST_HEAD(&multi_dev_list);

    init_map(&minors_map);

    struct cdev *multi_cdev = cdev_alloc();

    cdev_init(multi_cdev, multi_fops);

    alloc_chrdev_region(&devno, baseminor, count,DEV_NAME);

    major = MAJOR(devno);

    cdev_add(multi_cdev , devno, count);

    cls = class_create(THIS_MODULE, DEV_NAME);

}

/*---------------下面是给待加驱动用的----------------------*/

xxx_register(struct *multidevice dev){

            dev_t dev;

         if (dev->minor == MISC_DYNAMIC_MINOR) {

                 int i = find_first_zero_bit(minors_map, DYNAMIC_MINORS);

                 dev->minor = DYNAMIC_MINORS - i - 1;

                 set_bit(i, minors_map);

         }

         dev_t pri_devno = MKDEV(major, dev->minor);

         device_create(multi_class, NULL, pri_devno, "%s", misc->name);

         list_add(dev->head, &multi_dev_list);

}

EXPORT_SYMBOL(xxx_register)

分类: Lv3_LinuxKernel_Analysis