《Linux Device Drivers》第三章字符設備驅動程序——note

主設備號和次設備號
- 那些名稱被稱爲特殊文件、設備文件，或者簡單稱之爲文件系統樹的節點，它們通常位於/dev目錄
- 通常而言，主設備號標識設備對應的驅動程序
- 一個主設備號對應一個驅動程序
- 設備編號的內部表達
  - dev_t(<linux/types.h>)
  - dev_t是一個32位的數，12位表示主設備號，其餘20位表示次設備號
  - <linux/kdev_t.h>
    - MAJOR(dev_t dev);
    - MINOR(dev_t dev);
    - MKDEV(int major, int minor);
- 分配和釋放設備編號
  - <linux/fs.h>
    - int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);
    - int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);
    - void u nregister_chrdev_resion(dev_t first, unsigned int count);
- 動態分配主設備號
  - 驅動程序應該始終使用alloc_chrdev_region而不是register_chrdev_region函數
  - 缺點是：由於分配的主設備號不能保證始終一致，所以無法預先創建設備節點
  - /proc/devices
  - 分配主設備號的最佳方式
    - 默認採用動態分配，同時保留在加載甚至是編譯時指定主設備號的餘地

一些重要的數據結構
- 三個重要的內核數據結構
  - file_operations
  - file
  - inode
- 文件操作
  - file_operations結構用來將驅動程序操作連接到設備編號
  - <linux/fs.h>
  - file_operations結構或者指向這類結構的指針稱爲fops
    - 每個字段必須指向驅動程序中實現特定操作的函數
  - struct module *owner
  - loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
  - ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
  - ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, char __user *, size_t, loff_t);
  - ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
  - ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const char __user *, size_t, loff_t *);
  - int (*readdir) (struct file *, ,void *, filldir_t);
  - unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
  - int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
  - int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
  - int (*open) (struct inode *, struct file *);
  - int (*flush) (struct file *);
  - int (*release) (struct inode *, struct file *);
  - int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int);
  - int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int);
  - int (*fasync) (int, struct file *, int);
  - int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
  - ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
  - ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *);
  - ssize_t (*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *);
  - ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
  - unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
  - int (*check_flags) (int)
  - int (*dir_notify) (struct file *, unsigned long);
- file結構
  - file結構代表一個打開的文件
  - <linux/fs.h>
  - 與用戶空間程序中的FILE沒有任何關聯
  - 指向struct file的指針通常被稱爲file或filp
  - 字段
    - mode_t f_mode
    - loff_t f_pos
    - unsigned int f_flags
    - struct file_operations *f_op
    - void *private_data
    - struct dentry *f_dentry
- inode結構
  - 內核用inode結構在內部表示文件
  - 對單個文件，可能會有許多個表示打開的文件描述符的file結構
  - 字段
    - dev_t i_rdev
    - struct cdev *i_cdev
字符設備的註冊
- <linux/cdev.h>
- 獲取一個獨立的cdev結構
  - struct cdev *my_cdev = cdev_alloc();
  - my_cdev->ops = &my_fops;
  - owner
- struct cdev *cdev_alloc(void);
- void cdev_init(struct cdev *cdev, struct file_operations *fops);
- int cdev_add(struct cdev *dev, dev_t num, unsigned int count);
- void cdev_del(struct cdev *dev);
open和release
- open方法
  - 主要工作
    - 檢查設備特定的錯誤
    - 如果設備是首次打開，則對其進行初始化
    - 如有必要，更新f_op指針
    - 分配並填寫置於flip->private_data裏的數據結構
  - int (*open)(struct inode *inode, struct file *filp);
  - <linux/kernel.h>
    - container_of(pointer, continer_type, container_field);
- release方法
  - 主要工作
    - 釋放由open分配的、保存在filp->private_data中的所有內容
    - 在最後一次關閉操作時關閉設備
scull的內存使用
- <linux/slab.h>
  - void *kmalloc(size_t size, int flags);
  - void kfree(void *ptr);
  - 不應該將非kmalloc返回的指針傳遞給kfree
  - 將NULL指針傳遞給kfree是合法的
read和write
- ssize_t read(struct file *filp, char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);
- ssize_t write(struct file *filp, const char __user *buff, size_t count, loff_t *offp);
- 內核代碼不能直接引用用戶空間的指針
  - 隨着驅動程序所運行的架構的不同或者內核配置的不同，在內核模式中運行時，用戶空間的指針可能是無效的
  - 即使該指針在內核空間中代表相同的東西，但用戶空間的內存是分頁的，而在系統調用被調用時，涉及到的內存可能根本不在RAM中
  - 用戶空間的指針由用戶程序提供，該程序可能存在缺陷或者是個惡意程序
- 訪問用戶空間的緩衝區應始終通過內核提供的專用函數完成
  - <asm/uaccess.h>
  - unsigned long copy_to_user(void __user *to, const void * from, unsigned long count)
  - unsigned long copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long count);
- 訪問用戶空間的任何函數都必須是可重入的，必須能和其他驅動程序函數併發執行，必須處於能夠合法休眠的狀態
- read方法
  - 如果返回值等於傳遞read系統調用的count參數，則說明所請求的字節數傳輸成功完成了
  - 如果返回值是正的，但比count小，說明部分數據傳輸成功
  - 如果返回值爲，則表示已經到達了文件尾
  - 負值意味着發生了錯誤，該值指明瞭發生了什麼錯誤，錯誤碼在<linux/error.h>中定義
  - 現在還沒有數據，但以後可能會有
- write方法
- readv和writev
  - ssize_t (*readv) (struct file * filp, const struct iovec *iov, unsigned long count, loff_t *ppos);
  - ssize_t (*writev) (struct file *filp, const struct iovec *iov, unsigned long count, loff_t *ppos);
  - iovec結構
    - void __user *iov_base;
    - __kernel_size_t iov_len