Linux内核驱动：cdev、misc以及device三者之间的联系和区别

Linux内核驱动：cdev、misc以及device三者之间的联系和区别

背景

我想在cdev中使用dev_err等log打印函数，但是跟踪了一下cdev中的原型，发现并不是我想要的。

常见的驱动是这样子使用dev_err的：

// 某个驱动，这里是电池有关的
static int32_t oz8806_read_byte(struct oz8806_data *data, uint8_t index, uint8_t *dat)
{
    struct i2c_client *client = data->myclient;

    // ...
    
    dev_err(&client->dev, "%s: err %d, %d times
", __func__, ret, i);
    
    // ...
}

而i2c_client原型是这样子的，dev就是一个device：

// include/linux/i2c.h
struct i2c_client {
    // ...
    struct device dev;      /* the device structure     */
    // ...
};

那么，我想只要找到cdev中的dev，也可以这样子用，对吧？但是：

// include/linux/cdev.h
struct cdev {
    struct kobject kobj;
    struct module *owner;
    const struct file_operations *ops;
    struct list_head list;
    dev_t dev;
    unsigned int count;
} __randomize_layout;

而dev_t长这个样子：

// include/linux/types.h
typedef u32 __kernel_dev_t;

typedef __kernel_dev_t      dev_t;

我在困惑dev_t是什么东西以后，找到了下面这篇文章。

原文（有删改）：https://blog.csdn.net/leochen_career/article/details/78540916

从/dev目录说起

从事Linux嵌入式驱动开发的人，都很熟悉下面的一些基础知识， 比如，对于一个char类型的设备，我想对其进行read wirte 和ioctl操作，那么：

1、我们通常会在内核驱动中实现一个file_operations结构体，然后分配主次设备号，调用cdev_add函数进行注册。

2、从/proc/devices下面找到注册的设备的主次设备号，在用mknod /dev/char_dev c major minor 命令行创建设备节点。

3、在用户空间open /dev/char_dev这个设备，然后进行各种操作。

OK，字符设备模型就这么简单，很多ABC教程都是一个类似的实现。

然后我们去看内核代码时，突然一脸懵逼。。。怎么内核代码里很多常用的驱动的实现不是这个样子的？没看到有file_operations结构体，我怎么使用这些驱动？看到了/dev目录下有需要的char设备，可是怎么使用呢？

Linux驱动模型的一个重要分界线

linux2.6版本以前，普遍的用法就像我上面说的一样。但是linux2.6版本以后，引用了Linux设备驱动模型，开始使用了基于sysfs的文件系统，出现让我们不是太明白的那些Linux内核驱动了。

也就是说，我们熟悉的那套驱动模式是2.6版本以前的（当然这是基础，肯定要会的）

我们不熟悉的驱动模型是2.6版本以后的。

cdev、misc以及device

cdev和device的区别和联系

struct  cdev {
     struct  kobject kobj;
     struct  module *owner;
     const   struct  file_operations *ops;
     struct  list_head list;
     dev_t  dev;
     unsigned  int  count;
};
 
struct  device {
     struct  device      *parent;
     struct  device_private  *p;
     struct  kobject kobj;
     const   char      *init_name;  /* initial name of the device */
     struct  device_driver *driver; /* which driver has allocated this device */
     void         * driver_data ;   /* Driver data, set and get with dev_set/get_drvdata */
     dev_t            devt;   /* dev_t, creates the sysfs "dev" */
     u32         id; /* device instance */
     void     (*release)( struct  device *dev);
     // ...
};

通过看这两个结构体发现，其实cdev和device之间没啥直接的联系，只有一个 dev_t 和kobject 是相同的。 dev_t 这个是联系两者的一个纽带了 。

通常可以这么理解： cdev是传统驱动的设备核心数据结构，device是Linux设备驱动模型中的核心数据结构。

miscdevice和device的区别和联系

struct  miscdevice  {
     int  minor;
     const   char  *name;
     const   struct   file_operations  *fops;
     struct  list_head list;
     struct  device *parent;
     struct   device  *this_device;
     const   struct  attribute_group groups;
     const   char  *nodename;
     umode_t mode;
};

从定义可以看出，miscdevice是 device的子类，是从device派生出来的结构体，也是属于device范畴的，也就是该类设备会统一在/sys目录下进行管理了。

miscdevice和cdev的区别和联系

通过上面的数据结构可以看到，两者都有一个file_operations和 dev_t（misdevice由于主设备号固定，所以结构体里只有一个minor）。

从数据结构上看，miscdevice是device和cdev的结合。

注册device与cdev的不同

要注册一个device设备，需要调用核心函数device_register()（或者说是device_add()函数） ；

要注册一个cdev设备，需要调用核心函数register_chrdev()(或者说是cdev_add()函数)

device_register函数与cdev、misc以及device

为了方便理解cdev、misc以及device这3者的关系，我们看看device_register()的实际调用。

有关的代码位于：drivers/base/core.c

device_register
    device_add // 其中包含2个关键函数
    	// 将相关信息添加到/sys文件系统中（略）
    	device_create_file
    	// 将相关信息添加到/devtmpfs文件系统中
    	devtmpfs_create_node

device_create_file不做详细解析，因为devices本来就是/sys文件系统中的重要概念

关键是devtmpfs_create_node

什么是Devtmpfs 的概念

Devtmpfs lets the kernel create a tmpfs very early at kernel initialization , before any driver core device is registered . Every device with a major / minor will have a device node created in this tmpfs instance . After the rootfs is mounted by the kernel , the populated tmpfs is mounted at / dev .

devtmpfs_create_node()函数的核心是调用了内核的 vfs_mknod()函数，这样就在devtmpfs系统中创建了一个设备节点，当devtmpfs被内核mount到/dev目录下时，该设备节点就存在于/dev目录下，比如/dev/char_dev之类的。

vfs_mknod函数中会调用init_special_inode.

init_special_inode

如果node是一个char设备，会给i_fop 赋值一个默认的def_chr_fops，也就是说对该node节点，有一个默认的操作。在open一个字符设备文件时，最终总会调用chrdev_open，然后调用各个char设备自己的file_operations 定义的open函数。

void  init_special_inode( struct  inode *inode, umode_t mode, dev_t rdev)
{
    inode->i_mode = mode;
    if  (S_ISCHR(mode)) {
        inode->i_fop = &def_chr_fops;
        inode->i_rdev = rdev;
    }  else   if  (S_ISBLK(mode)) {
        inode->i_fop = &def_blk_fops;
        inode->i_rdev = rdev;
    }  else   if  (S_ISFIFO(mode))
        inode->i_fop = &pipefifo_fops;
    else   if  (S_ISSOCK(mode))
        ;   /* leave it no_open_fops */
    else
        printk(KERN_DEBUG  "init_special_inode: bogus i_mode (%o) for"
               " inode %s:%lu
" , mode, inode->i_sb->s_id,
               inode->i_ino);
}

/*
  * Dummy default file-operations: the only thing this does
  * is contain the open that then fills in the correct operations
  * depending on the special file...
  */
const   struct   file_operations  def_chr_fops = {
    .open =  chrdev_open ,
    .llseek = noop_llseek,
};

static   int  chrdev_open( struct  inode *inode,  struct  file *filp)
{
    ret = -ENXIO;
    fops = fops_get(p->ops);
    if  (!fops)
        goto  out_cdev_put;

    replace_fops (filp, fops);
    if  (filp->f_op->open) {
        ret = filp->f_op-> open (inode, filp);
        if  (ret)
            goto  out_cdev_put;
    }

    return  0;
    out_cdev_put:
    cdev_put(p);
    return  ret;
}

上面分析的核心意思是：device_register()函数除了注册在/sys下面外；

还通过devtmpfs_create_node()在/dev目录下创建了一个设备节点(inode)，这个设备节点有一个默认的file_operations。

cdev_add函数的实质

/**
  * cdev_add() - add a char device to the system
  * @p: the cdev structure for the device
  * @dev: the first device number for which this device is responsible
  * @count: the number of consecutive minor numbers corresponding to this
  *         device
  *
  * cdev_add() adds the device represented by @p to the system, making it
  * live immediately.  A negative error code is returned on failure.
  */
int  cdev_add( struct  cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
{
     int  error;
 
     p->dev = dev;
     p->count = count;
 
     error =  kobj_map (cdev_map, dev, count, NULL,
              exact_match, exact_lock, p);
     if  (error)
         return  error;
 
     kobject_get(p->kobj.parent);
 
     return  0;
}

kobj_map() 函数：用来把字符设备编号和 cdev 结构变量一起保存到 cdev_map 这个散列表里 。当后续要打开一个字符设备文件时，通过调用 kobj_lookup() 函数， 根据设备编号就可以找到 cdev 结构变量，从而取出其中的 ops 字段 。

此处只是简单的一个保存过程，并没有将cdev和inode关联起来。

有了这个关联之后，当我们使用mknod 命令，就会创建一个inode节点，并且通过 dev_t将inode和cdev_map里面的cdev联系起来了。

dev_t是联系inode/cdev/device三者的纽带

在创建device设备时，如果定义了dev_t，那么会创建一个inode节点，并且绑定一个默认带有一个file_operations的cdev。

如果针对该dev_t，定义了我们自己的file_operations，再调用cdev_add()，那么就会用自己定义的file_operations替换掉默认的file_operations。

这样，device和cdev以及自己定义的file_operations就关联起来了。

struct   class  *my_class;
struct  cdev my_cdev[N_MINORS];    
dev_t dev_num;

static   int  __init my_init( void )
{
    int  i;
    dev_t curr_dev;

    /* Request the kernel for N_MINOR devices */
    alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, N_MINORS,  "my_driver" );

    /* Create a class : appears at /sys/class */
    my_class = class_create(THIS_MODULE,  "my_driver_class" );

    /* Initialize and create each of the device(cdev) */
    for  (i = 0; i < N_MINORS; i++) {

        /* Associate the cdev with a set of file_operations */
        cdev_init(&my_cdev[i], &fops);

        /* Build up the current device number. To be used further */
        curr_dev = MKDEV(MAJOR(dev_num), MINOR(dev_num) + i);

        /* Create a device node for this device. Look, the class is
          * being used here. The same class is associated with N_MINOR
          * devices. Once the function returns, device nodes will be
          * created as /dev/my_dev0, /dev/my_dev1,... You can also view
          * the devices under /sys/class/my_driver_class.
          */
        device_create (my_class, NULL,  curr_dev , NULL,  "my_dev%d" , i);

        /* Now make the device live for the users to access */
        cdev_add (&my_cdev[i],  curr_dev , 1); 
    }

    return  0;
}

misdevice

在misdevice的实现中，就将device和cdev关联了起来，并定义自己的file_operations。

因此，misdevice同时具有device的标准设备模型，也定义了自己的file_operations。

按照上面的思路，推测出misdevice的注册过程应该是如下流程：

• 调用核心device注册函数device_add()
• 调用核心cdev注册函数cdev_add()

但是分析misc_register()函数，发现只调用了device_add()函数，并没有调用cdev_add()，那么自己定义的file_operations是如何和cdev关联起来的呢？

其实misc.c中用了另外一套思路，但是原理是一样的。

创建cdev_map

在misc_init()中， 通过register_chrdev()函数将主设备号为0，次设备号为0-255的所有cdev都通过cdev_add()进行了注册；

也就是说将256个cdev放入到了cdev_map中，然后绑定的file_operations为默认的misc_open操作函数；

static   int  __init misc_init( void )
{
    int  err;

    if  ( register_chrdev (MISC_MAJOR, "misc" ,&misc_fops))
        goto  fail_printk;
    misc_class->devnode = misc_devnode;
    return  0;
    // ...
}

int  __register_chrdev(unsigned  int  major, unsigned  int  baseminor,
                       unsigned  int  count,  const   char  *name,
                       const   struct  file_operations *fops)
{
    cd = __register_chrdev_region(major, baseminor, count, name);
    cdev = cdev_alloc();
    cdev->ops = fops;
    err =  cdev_add (cdev, MKDEV(cd->major, baseminor), count);
    // ...
}

在misc_register中进行链接

当调用misc_register()时，内核通过维护一个 misc_list 链表，misc设备在misc_register注册的时候链接到这个链表。

/**
  * misc_register   -   register a miscellaneous device
  * @misc: device structure
  *
  * Register a miscellaneous device with the kernel. If the minor
  * number is set to %MISC_DYNAMIC_MINOR a minor number is assigned
  * and placed in the minor field of the structure. For other cases
  * the minor number requested is used.
  *
  * The structure passed is linked into the kernel and may not be
  * destroyed until it has been unregistered. By default, an open()
  * syscall to the device sets file->private_data to point to the
  * structure. Drivers don't need open in fops for this.
  *
  * A zero is returned on success and a negative errno code for
  * failure.
  */
   
int  misc_register( struct  miscdevice * misc)
{
     dev_t dev;
     int  err = 0;
 
     INIT_LIST_HEAD(&misc->list);
 
 
     dev = MKDEV(MISC_MAJOR, misc->minor);
 
     misc->this_device =
         device_create_with_groups(misc_class, misc->parent, dev,
                       misc, misc->groups,  "%s" , misc->name);
 
 
     /*
      * Add it to the front, so that later devices can "override"
      * earlier defaults
      */
     list_add (&misc->list, &misc_list);
 
}

查找并替换新的file_operations

通过步骤2，可以操作对应dev_t的某个cdev的inode了，但此时的open为绑定的file_operations提供的默认的misc_open；

在此函数中，会根据dev_t在内核的misc_list中进行查找，然后用自己定义的file_operations替换到misc提供的那个默认的file_operations。

static   int  misc_open( struct  inode * inode,  struct  file * file)
{
     int  minor = iminor(inode);
     struct  miscdevice *c;
     int  err = -ENODEV;
     const   struct  file_operations *new_fops = NULL;
 
     mutex_lock(&misc_mtx);
      
     list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {
         if  (c->minor == minor) {
            new_fops = fops_get(c->fops);      
             break ;
         }
     }
          
     if  (!new_fops) {
         mutex_unlock(&misc_mtx);
         request_module( "char-major-%d-%d" , MISC_MAJOR, minor);
         mutex_lock(&misc_mtx);
 
         list_for_each_entry(c, &misc_list, list) {
             if  (c->minor == minor) {
                 new_fops = fops_get(c->fops);
                 break ;
             }
         }
         if  (!new_fops)
             goto  fail;
     }
 
     /*
      * Place the miscdevice in the file's
      * private_data so it can be used by the
      * file operations, including f_op->open below
      */
     file->private_data = c;
 
     err = 0;
     replace_fops(file, new_fops);
     if  (file->f_op->open)
         err = file->f_op->open(inode,file);
fail:
     mutex_unlock(&misc_mtx);
     return  err;
}

因此， miscdevice就是通过上述的步骤，实现了device cdev和自定义 file_operations的关联。

一个简单的小测试

通过命令mknod建立一个misc设备，然后去打开该设备，看下返回值，如下

 root@imx6qsabresd:/dev# mknod test c 10 100
 root@imx6qsabresd:/dev# cat /dev/test
 cat: can't open '/dev/test': No such device

通过上面的分析，我们知道cat时，调用的open函数会最后调到misc_open(),该函数中返回的错误就是 -ENODEV，和看到的现象一致。

通过mknod建立一个设备，主次设备号随便，看下返回值，如下

 root@imx6qsabresd:/dev# mknod aaa c 1 0
 root@imx6qsabresd:/dev# cat /dev/aaa
 cat: can't open '/dev/aaa': No such device or address 

通过上面的分析，我们知道，调用的open函数会最后调用到chrdev_open，该函数中返回的错误就是-ENXIO，和看到的错误提示一致。

Linux设备驱动模型下的cdev

通过上面的分析，我们知道当device_add()注册device时，会调用devtmpfs_create_node()

但是这个调用是有个约束条件的， 这个约束条件是device中必须定义了devt这个设备号。

所以，对于很多的平台设备platform_devices（也就是那些在dts文件中定义的devices）,在进行platform_device_add（）时,并不会在/dev下面出现inode节点。

但是i2c控制器，作为一个平台设备，确在/dev下面出现了设备节点，比如/dev/i2c-0 、/dev/i2c-1。

这是什么原因的?分析内核代码，我们发现i2c-dev.c这个文件，其实这个文件就是用来创建/dev/i2c-0这些设备的，它是一个我们熟悉的cdev设备驱动。

i2c_dev_init()函数中使用了一种 内核通知机制，通过回调，在i2cdev_attach_adapter()中创建了一个带devt的device,那么自然会出现/dev/i2c-0节点了。内核通知机制的具体原理没有研究。

Linux设备驱动模型下的eeprom驱动

我们传统的用法是习惯在/dev下注册eeprom设备，也就是所谓的cdev设备，然后操作。

但是内核中用的是基于/sys系统的devices驱动模型，使用这个模型时，我们在dts文件中，在相应的i2c控制器下配置好好，就能在通过/sys文件系统进行访问了。

比如如下的dts配置，我再i2c4下挂了一个eeprom芯片。内核会在初始化时将device于at24的驱动进行绑定（具体过程是dts以及platform设备模型的相关知识）

&i2c4{
    eerpom: at24c04@54{
        compatible = "24c04";
        reg = <0x54>;
        status = "okay";
    };
};

设备注册成功后，我们能看到如下信息

root@imx6qsabresd:/sys/class/i2c-dev/i2c-3/device/3-0054# ls
driver modalias of_node subsystem eeprom name power uevent

该目录下有很多属性文件，如果我们想读写eeprom，那么我们可以通过操作eeprom这个文件实现读写，这些都是设备驱动模型和sys文件系统的相关知识了。

那么，如果我想基于这个架构，增加一个/dev/eeprom设备，该怎么实现呢？

首先，需要清楚，在内核调用at24_probe()函数之前，eprom作为devices，已经被注册到了系统中（这个过程是内核在解析dts配置文件时自动完成的，不是使用者自己注册的）。

由于在内核注册devices时，并没有分配dev_t这个设备号，所以不会在/dev下面创建设备节点。

在没有设备号的情况下如何在/dev中创建设备

那么现在想创建一个cdev设备，但是这个设备号内核注册时并没有分配给这个device,怎么办？

有两种方案实现：

方案一：注册misc设备

在at24_probe()函数中，直接注册一个misc设备，实现file_operations，从而能够建/dev/eeprom节点。

使用该方法时，需要理解一点，其实你是将eeprom这个芯片注册了两次设备（devices）,一次是作为i2c的下挂的设备，由平台自动注册的；还有一次是自己注册的misc设备。这两个设备都在/sys系统下存在。这两个设备对sys来说是完全独立的，只是因为我们自己将他们的驱动写在了一起实现。

root@imx6qsabresd:/sys/class/i2c-dev/i2c-3/device/3-0054# ls
driver modalias of_node subsystem eeprom name power uevent
root@imx6qsabresd:/sys/devices/virtual/misc/eeprom# ls
dev power subsystem uevent
root@imx6qsabresd:/# ls -al /dev/eeprom
crw------- 1 root root 10, 100 Jan 1 1970 /dev/eeprom

方案二： 手动分配设备号

在at24_probe()函数中，给入参i2c_client里面的device里的dev_t分配一个设备号，然后通过cdev_init()、cdev_add()函数将该设备号与file_operations进行关联，再通过mknod创建节点。

使用此方法，实现了在/sys系统中只注册了一个device，但既能够通过sys系统访问，也能够通过/dev/eeprom设备节点的形式访问了。

下面是自己尝试在at24.c里面增加的代码

static int eeprom_open( struct inode *inode, struct file *filp) { 
    unsigned int major, minor; 
    major = imajor(inode); 
    minor = iminor(inode); 
    printk( "%s, major = %d, minor = %d!
" , func, major, minor); 
    return 0; 
} 
static ssize_t eeprom_read( struct file *filp, char *buf, 
                           size_t len, loff_t *offset) { 
    printk( "%s, len = %d
" , func, len); 
    return 0; 
} 
static ssize_t eeprom_write( struct file *filp, const char *buf, 
                            size_t len, loff_t *offset) { 
    printk( "%s, len = %d
" , func, len); 
    return 0; 
} 
static int eeprom_close( struct inode *inode, struct file *filp) { 
    printk( "%s
" , func); 
    return 0; 
} 
static struct file_operations eeprom_fops = { 
    .open = eeprom_open, 
    .read = eeprom_read, 
    .write = eeprom_write, 
    .release = eeprom_close, 
}; 
static int at24_probe( struct i2c_client *client, const struct i2c_device_id *id) 
{ 
    // ... 
        /* 
* add the char device to system 
*/ 
        dev = &client->dev; 
    dev->devt = MKDEV(100, 0); 
    err = register_chrdev_region(dev->devt, 1, "eeprom" ); 
    if (err < 0) { 
        dev_err(&client->dev, "Can't static register chrdev region!
" ); 
        return err; 
    } 
    cdev_init(&eeprom_cdev, &eeprom_fops); 
    err = cdev_add(&eeprom_cdev, dev->devt, 1); 
    if (err < 0) { 
        dev_err(&client->dev, "Can't add char device!
" ); 
        return err; 
    } 
    dev_err(&client->dev, "add char eeprom device!
" ); 
    return 0; 
} 

测试如下。

root@imx6qsabresd:/sys/class/i2c-dev/i2c-3/device/3-0054# ls 
driver modalias of_node subsystem eeprom name power uevent 
root@imx6qsabresd:/# ls -al /dev/eeprom 
crw------- 1 root root 100, 0 Jan 1 1970 /dev/eeprom