Linux中字符设备的打开、写入

一个内核模块应该由以下几部分组成。

第一部分，头文件部分。一般的内核模块，都需要 include 下面两个头文件：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

第二部分，定义一些函数，用于处理内核模块的主要逻辑。例如打开、关闭、读取、写入设备的函数或者响应中断的函数。

例如，logibm.c 里面就定义了 logibm_open。logibm_close 就是处理打开和关闭的，定义了 logibm_interrupt 就是用来响应中断的。再如，lp.c 里面就定义了 lp_read，lp_write 就是处理读写的。

第三部分，定义一个 file_operations 结构。设备是可以通过文件系统的接口进行访问的。对于某种文件系统的操作，都是放在 file_operations 里面的。例如 ext4 就定义了这么一个结构，里面都是 ext4_xxx 之类的函数。设备要想被文件系统的接口操作，也需要定义这样一个结构。

例如，lp.c 里面就定义了这样一个结构。

static const struct file_operations lp_fops = {.owner    = THIS_MODULE,.write    = lp_write,.unlocked_ioctl  = lp_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT.compat_ioctl  = lp_compat_ioctl,
#endif.open    = lp_open,.release  = lp_release,
#ifdef CONFIG_PARPORT_1284.read    = lp_read,
#endif.llseek    = noop_llseek,
};

在 logibm.c 里面，我们找不到这样的结构，是因为它属于众多输入设备的一种，而输入设备的操作被统一定义在 drivers/input/input.c 里面，logibm.c 只是定义了一些自己独有的操作。

static const struct file_operations input_devices_fileops = {.owner    = THIS_MODULE,.open    = input_proc_devices_open,.poll    = input_proc_devices_poll,.read    = seq_read,.llseek    = seq_lseek,.release  = seq_release,
};

第四部分，定义整个模块的初始化函数和退出函数，用于加载和卸载这个 ko 的时候调用。

例如 lp.c 就定义了 lp_init_module 和 lp_cleanup_module，logibm.c 就定义了 logibm_init 和 logibm_exit。

第五部分，调用 module_init 和 module_exit，分别指向上面两个初始化函数和退出函数。

第六部分，声明一下 lisense，调用 MODULE_LICENSE。有了这六部分，一个内核模块就基本合格了，可以工作了。

打开字符设备

在字符设备驱动的内核模块加载的时候，最重要的一件事情就是，注册这个字符设备。注册的方式是调用 __register_chrdev_region，注册字符设备的主次设备号和名称，然后分配一个 struct cdev 结构，将 cdev 的 ops 成员变量指向这个模块声明的 file_operations。然后，cdev_add 会将这个字符设备添加到内核中一个叫作 struct kobj_map *cdev_map 的结构，来统一管理所有字符设备。

写入字符设备

写入一个字符设备，就是用文件系统的标准接口 write，参数文件描述符 fd，在内核里面调用的 sys_write，在 sys_write 里面根据文件描述符 fd 得到 struct file 结构。

一个字符设备要能够工作，需要三部分配合。

第一，有一个设备驱动程序的 ko 模块，里面有模块初始化函数、中断处理函数、设备操作函数。这里面封装了对于外部设备的操作。加载设备驱动程序模块的时候，模块初始化函数会被调用。在内核维护所有字符设备驱动的数据结构 cdev_map 里面注册，我们就可以很容易根据设备号，找到相应的设备驱动程序。

第二，在 /dev 目录下有一个文件表示这个设备，这个文件在特殊的 devtmpfs 文件系统上，因而也有相应的 dentry 和 inode。这里的 inode 是一个特殊的 inode，里面有设备号。通过它，我们可以在 cdev_map 中找到设备驱动程序，里面还有针对字符设备文件的默认操作 def_chr_fops。

第三，打开一个字符设备文件和打开一个普通的文件有类似的数据结构，有文件描述符、有 struct file、指向字符设备文件的 dentry 和 inode。字符设备文件的相关操作 file_operations 一开始指向 def_chr_fops，在调用 def_chr_fops 里面的 chrdev_open 函数的时候，修改为指向设备操作函数，从而读写一个字符设备文件就会直接变成读写外部设备了。

此文章为11月Day12学习笔记，内容来源于极客时间《趣谈Linux操作系统》，推荐该课程。