Linux内核中的两种特殊设备驱动框架：misc子系统和3+2+1设备识别驱动框架
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- 2024-02-12 18:21:10916浏览
misc子系统是Linux内核中一个简单而灵活的设备驱动框架，它可以用来实现一些不属于其他子系统的设备驱动，如字符设备，虚拟设备，混合设备等。misc子系统的优点是简单易用，不需要编写大量的代码，只需要实现一些基本的操作函数即可。但是misc子系统也有一些缺点，如无法支持多个设备实例，无法支持设备树，无法支持热插拔等。为了解决这些问题，本文将介绍一个新的设备驱动框架：3+2+1设备识别驱动框架，它是基于misc子系统和platform子系统的结合，可以实现更多的功能和特性。
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_init()
–293–>系统启动的过程中就会初始化misc子系统
–273–>根据系统配置，可能需要提供/proc接口
–275–>在/sysfs中创建一个类，名为misc
–281–>使用静态主设备号(10)、封装好的方法集misc_fops，register_chrdev()内部会创建一个cdev对象并使用这两个参数将其初始化并注册到内核，这个cdev对象将负责所有的混杂设备的设备号。关于cdev对象和设备号之间的关系参见cdev_map。
–158–>misc的cdev对象使用的fops，显然，至此和普通字符设备的调用过程一样，chrdev_open()->misc_open()。”
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 = 0)
213 clear_bit(i, misc_minors);
214 err = PTR_ERR(misc->this_device);
216 }
222 list_add(&misc->list, &misc_list);
226 }
“
misc_register()
–187–> 如果指定的minor是动态分配，那么进入相关语句块。
–188–> 使dev用位图遍历API-find_first_zero_bit找到最小未用的设备号。
–193–> 得到分配好的次设备号。
–208–> (根据设备号)创建设备文件，使用的是misc_init中创建的misc_class，至此就可以实现misc设备文件的自动创建。就相当与我们在纯粹的cdev驱动中使用class_create()+device_create()创建设备文件。一个设备文件和一个设备号相联系，而misc的所有的设备号都和misc_init创建的cdev对象相联系，所以打开的任何一个misc设备文件首先回调的就是(chrdev_open()->)misc_open()。
–222–> 关键，将这个新分配的misc加入到misc链表中，用于管理所有的misc设备，便于misc_open()提取具体设备的fops。”
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 }
“
misc_open()
–121–>遍历misc设备链表，根据被打开的设备的次设备号找到设备对象。
–123–>存储这个设备对象的操作方法集unique_fops。
–144–>将misc设备具体的操作方法集unique_fops替换到filp中的f_op中，这个位置原来是misc的cdev对象的fops，filp带着这个unique_fops从open()返回，就实现了不同的设备对应不同的操作方法，即面向对象的”多态””
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)
通过本文，我们了解了misc子系统和3+2+1设备识别驱动框架的原理和方法，它们可以用来实现一些特殊的设备驱动，如识别设备，虚拟设备，混合设备等。我们应该根据实际需求选择合适的框架，并遵循一些基本原则，如使用正确的注册和注销函数，使用正确的文件操作结构体，使用正确的设备树节点等。misc子系统和3+2+1设备识别驱动框架是Linux内核中两个有用而灵活的设备驱动框架，它们可以提升设备驱动的兼容性和可扩展性，也可以提升开发者的效率和质量。希望本文能够对你有所帮助和启发。
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