1. 字符設備結構體
內核中所有已分配的字符設備編號都記錄在一個名爲 chrdevs 散列表裏。該散列表中的每一個元素是一個 char_device_struct 結構，它的定義如下：
static struct char_device_struct {
struct char_device_struct *next; // 指向散列衝突鏈表中的下一個元素的指針
unsigned int major; // 主設備號
unsigned int baseminor; // 起始次設備號
int minorct; // 設備編號的範圍大小
char name[64]; // 處理該設備編號範圍內的設備驅動的名稱
struct file_operations *fops; // 沒有使用
struct cdev *cdev; // 指向字符設備驅動程序描述符的指針
} *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];
注意，內核並不是爲每一個字符設備定義一個 char_device_struct 結構，而是爲一組（主設備號相同的設備）對應同一個字符設備驅動的設備編號範圍定義一個 char_device_struct 結構。chrdevs 散列表的大小是 255，散列算法是把每組字符設備編號範圍的主設備號以 255 取模插入相應的散列桶中。同一個散列桶中的字符設備編號範圍是按起始次設備號遞增排序的。
2. 字符設備的註冊
內核提供了三個函數來註冊一組字符設備編號，這三個函數分別是 register_chrdev_region()、alloc_chrdev_region() 和 register_chrdev()。這三個函數都會調用一個共用的 __register_chrdev_region() 函數來註冊一組設備編號範圍（即一個 char_device_struct 結構）。
register_chrdev_region(dev_t first,unsigned int count,char *name)
First :要分配的設備編號範圍的初始值(次設備號常設爲0);
Count:連續編號範圍.
Name:編號相關聯的設備名稱. (/proc/devices);
動態分配:
Int alloc_chrdev_region(dev_t *dev,unsigned int firstminor,unsigned int count,char *name);
Firstminor : 通常爲0;
*dev:存放返回的設備號;
釋放:
Void unregist_chrdev_region(dev_t first,unsigned int count);
調用Documentation/devices.txt中能夠找到已分配的設備號．
所以下面先來看一下 __register_chrdev_region() 函數的實現代碼。
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);
}
函數 __register_chrdev_region() 主要執行以下步驟：
1. 分配一個新的 char_device_struct 結構，並用 0 填充。
2. 如果申請的設備編號範圍的主設備號爲 0，那麼表示設備驅動程序請求動態分配一個主設備號。動態分配主設備號的原則是從散列表的最後一個桶向前尋找，那個桶是空的，主設備號就是相應散列桶的序號。所以動態分配的主設備號總是小於 256，如果每個桶都有字符設備編號了，那動態分配就會失敗。
3. 根據參數設置 char_device_struct 結構中的初始設備號，範圍大小及設備驅動名稱。
4. 計算出主設備號所對應的散列桶，爲新的 char_device_struct 結構尋找正確的位置。同時，如果設備編號範圍有重複的話，則出錯返回。
5. 將新的 char_device_struct 結構插入散列表中，並返回 char_device_struct 結構的地址。
分析完 __register_chrdev_region() 後，我們來一個個看那三個註冊函數。
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() 函數用於分配指定的設備編號範圍。如果申請的設備編號範圍跨越了主設備號，它會把分配範圍內的編號按主設備號分割成較小的子範圍，並在每個子範圍上調用 __register_chrdev_region() 。如果其中有一次分配失敗的話，那會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() 函數用於動態申請設備編號範圍，這個函數好像並沒有檢查範圍過大的情況，不過動態分配總是找個空的散列桶，所以問題也不大。通過指針參數返回實際獲得的起始設備編號。
register_chrdev
{
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;
}
最後一個 register_chrdev() 是一個老式分配設備編號範圍的函數。它分配一個單獨主設備號和 0 ~ 255 的次設備號範圍。如果申請的主設備號爲 0 則動態分配一個。該函數還需傳入一個 file_operations 結構的指針，函數內部自動分配了一個新的 cdev 結構。
和註冊分配字符設備編號範圍類似，內核提供了兩個註銷字符設備編號範圍的函數，分別是 unregister_chrdev_region() 和 unregister_chrdev() 。它們都調用了 __unregister_chrdev_region() 函數。由於比較簡單，就不加說明了，只把代碼貼出來。
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);
}
