【內核&驅動】字符設備驅動程序【2】

一些重要的數據結構(VFS核心結構體)
1.super_block
和mount一一對應，這也意味着如果mount操作，在內核中分配新的結構體，存儲分區信息
umount時，VFS就把該結構體釋放掉
mount幾次內核中就有幾個super_block結構體

2.inode
和打開文件一一對應,記錄文件信息，關閉文件時，如果內存不緊張，不會釋放，
如果多個人同時打開一個文件，VFS只需創建一個inode

3.file <linux/fs.h>
和用戶態對文件操作open一一對應,每次open生成一個file結構體,
內核中有多個file結構體和打開的文件對應
該結構與用戶空間的FILE沒有任何關聯，他代表一個打開的文件，它由內核在open時創建
直到最後的close函數，在文件的所有實例都被關閉之後，內核會釋放這個數據結構
指向struct file的指針稱爲文件指針

struct file
{
    union 
{
        struct list_head    fu_list;
        struct rcu_head     fu_rcuhead;
    } f_u;
    struct path        f_path;
#define f_dentry    f_path.dentry
    //文件對應的目錄項結構
#define f_vfsmnt    f_path.mnt
    const struct file_operations    *f_op;
    atomic_long_t        f_count;
    unsigned 
int         f_flags;
        //文件標誌， 如O_RDONLY, O_NONBLOCK, O_SYNC
    fmode_t            f_mode;
        //文件模式
    loff_t            f_pos;
        //文件當前讀/寫位置
    struct fown_struct    f_owner;
    unsigned 
int        f_uid, f_gid;
    struct file_ra_state    f_ra;

    u64            f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
    void            *f_security;
#endif
    /* needed
for tty driver,
and maybe others */
    void            *private_data;


#ifdef CONFIG_EPOLL
    /* Used by fs/eventpoll.c
to link all the hooks
to this file */
    struct list_head    f_ep_links;
    spinlock_t        f_ep_lock;
#endif 
/* #ifdef CONFIG_EPOLL 
*/
    struct address_space    *f_mapping;
#ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNT
    unsigned long f_mnt_write_state;
#endif
};

4.file_operations <linux/fs.h>
其中包括了一組函數指針，每個打開的文件和一組函數關聯起來；這些操作用於實現系統調用
file_operations和指向這類結構的指針叫做fops

struct file_operations
{
    struct module 
*owner;
        指向擁有該結構的模塊的指針,防止模塊的操作在被使用的時候卸載該模塊
        .onwer
= THIS_MODULE
    loff_t 
(*llseek)
(struct file *, loff_t,
int);
        修改文件的當前讀寫位置，返回新位置
        struct file*    當前文件
        loff_t         長偏移量
        int
    ssize_t 
(*read)
(struct file *, char __user
*, size_t, loff_t
*);
        從設備中讀數據
    ssize_t 
(*write)
(struct file *,
const char __user 
*, size_t, loff_t
*);
        向設備發送數據
    ssize_t 
(*aio_read)
(struct kiocb *,
const struct iovec 
*, unsigned long, loff_t);
        初始化一個異步讀取操作
    ssize_t 
(*aio_write)
(struct kiocb *,
const struct iovec 
*, unsigned long, loff_t);
        初始化設備上的異步寫入操作
    int
(*readdir)
(struct file *, void
*, filldir_t);
        對設備文件來說，應該置null，用於讀取目錄，只對文件系統有用
    unsigned 
int (*poll)
(struct file *, struct poll_table_struct
*);
        是poll,epoll,select的後端實現
    int
(*ioctl)
(struct inode *, struct file
*, unsigned
int, unsigned long);
        提供了一種執行設備特定命令的方法
    long 
(*unlocked_ioctl)
(struct file *, unsigned
int, unsigned long);
    long 
(*compat_ioctl)
(struct file *, unsigned
int, unsigned long);
    int
(*mmap)
(struct file *, struct vm_area_struct
*);
        用於請求將設備內存映射到進程地址空間
    int
(*open)
(struct inode *, struct file
*);
        對設備文件執行的第一個操作，但不要求驅動程序一定聲明該方法，
        如果置爲NULL，設備的打開永遠有效，但系統不會通知驅動程序
    int
(*flush)
(struct file *, fl_owner_t id);
        發生在進程關閉設備文件描述符副本的時候，用來執行設備上尚未完成的操作
    int
(*release)
(struct inode *, struct file
*);
        當file被釋放時， 將調用這個操作，與open相仿，也可設置爲NULL
    int
(*fsync)
(struct file *, struct dentry
*, 
int datasync);
        刷新待處理的數據
    int
(*aio_fsync)
(struct kiocb *,
int datasync);
        fsync的異步方法
    int
(*fasync)
(int, struct file
*, 
int);
        通知設備其FASYNC狀態發生了變化
    int
(*lock)
(struct file *,
int, struct file_lock
*);
        實現文件鎖
    ssize_t 
(*sendpage)
(struct file *, struct page
*, 
int, size_t, loff_t
*, 
int);
        發送數據，每次一頁
    unsigned long 
(*get_unmapped_area)(struct file
*, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
        將底層設備中的內存段映射到進程空間的合適的位置
    int
(*check_flags)(int);
        檢查傳遞給fcntl(F_SETFL...)調用的標誌
    int
(*dir_notify)(struct file
*filp, unsigned long arg);
    int
(*flock)
(struct file *,
int, struct file_lock
*);
    ssize_t 
(*splice_write)(struct pipe_inode_info
*, struct file
*, loff_t 
*, size_t, unsigned
int);
    ssize_t 
(*splice_read)(struct file
*, loff_t 
*, struct pipe_inode_info 
*, size_t, unsigned
int);
    int
(*setlease)(struct file
*, long, struct file_lock
**);
};

file_operations的初始化方式

struct file_operations scull_fops
= {
    .owner
= THIS_MODULE,
    .llseek
= scull_llseek,
    .read
= scull_read,
    .write
= scull_write,
    .ioctl
= scull_ioctl,
    .open
= scull_open,
    .release
= scull_release,
};

字符設備的註冊
在運行的時候獲得一個獨立的cdev結構：

struct cdev
*my_cdev = cdev_alloc();
my_cdev->ops
= &my_fops;

此時就可以將cdev結構嵌入到自己的設備的特定結構中
以下代碼用來初始化已分配到的結構：

void cdev_init(struct cdev
*cdev, struct file_operations
*fops);

通過以下代碼告知內核結構的信息：

int cdev_add(struct cdev
*dev, dev_t num, unsigned
int count);

dev     是cdev結構
num     是該設備對應的第一設備編號
count    是應該和該設備關聯的設備號的數量

scull中的設備註冊
在scull內部， 他通過struct scull_dev的結構來表示每個設備

struct scull_dev
{
    struct scull_qset 
*data;    /* 指向第一個量子集的指針
*/
    int quantum;            /* 當前量子的大小
*/
    int qset;            /* 當前數組的大小
*/
    unsigned long size;        /* 保存在其中的數據總量
*/
    unsigned 
int access_key;    /* 由sculluid和scullpriv使用
*/
    struct semaphore sem;        /* 互斥信號量
*/
    struct cdev cdev        /* 字符設備結構
*/
};

量子：我們把每一個內存區域稱之爲量子，一個指向這些量子的指針數組稱之爲量子集

static void scull_setup_cdev(struct scull_dev
*dev, 
int index)
{
    int
err, devno;
    devno 
= MKDEV(scull_major, scull_minor
index);

    cdev_init(&dev->sdev,
&scull_fops);
    dev->cdev.owner
= THIS_MODULE;
    dev->cdev.ops
= &scull_fops;

    err
= cdev_add(&dev->cdev, devno,
1);
    if
(err)
{
        printk(KERN_NOTICE
"Error %d adding scull%d",
err, index);
    }
}

早期辦法(內核2.6之前的版本的設備註冊的方法)

註冊：

int register_chrdev(unsigned
int major,
                const char
* name,
                struct file_operations
*fops);

釋放：

int unregister_chrdev(unsigned
int major, 
const char * name);