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# 32 | 字符设备（上）：如何建立直销模式？
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上一节，我们讲了输入输出设备的层次模型，还是比较复杂的，块设备尤其复杂。这一节为了让你更清晰地了解设备驱动程序的架构，我们先来讲稍微简单一点的字符设备驱动。
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这一节，我找了两个比较简单的字符设备驱动来解析一下。一个是输入字符设备，鼠标。代码在drivers/input/mouse/logibm.c这里。
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```
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/*
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* Logitech Bus Mouse Driver for Linux
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*/
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module_init(logibm_init);
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module_exit(logibm_exit);
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```
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另外一个是输出字符设备，打印机，代码drivers/char/lp.c这里。
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```
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/*
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* Generic parallel printer driver
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*/
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module_init(lp_init_module);
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module_exit(lp_cleanup_module);
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```
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## 内核模块
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上一节，我们讲过，设备驱动程序是一个内核模块，以ko的文件形式存在，可以通过insmod加载到内核中。那我们首先来看一下，怎么样才能构建一个内核模块呢？
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一个内核模块应该由以下几部分组成。
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**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：
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```
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#include <linux/module.h>
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#include <linux/init.h>
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```
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如果你去看上面两个驱动程序，都能找到这两个头文件。当然如果需要的话，我们还可以引入更多的头文件。
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**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。
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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。
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**第三部分，定义一个file\_operations结构**。前面我们讲过，设备是可以通过文件系统的接口进行访问的。咱们讲文件系统的时候说过，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。
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例如，lp.c里面就定义了这样一个结构。
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```
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static const struct file_operations lp_fops = {
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.owner = THIS_MODULE,
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.write = lp_write,
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.unlocked_ioctl = lp_ioctl,
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#ifdef CONFIG_COMPAT
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.compat_ioctl = lp_compat_ioctl,
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#endif
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.open = lp_open,
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.release = lp_release,
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#ifdef CONFIG_PARPORT_1284
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.read = lp_read,
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#endif
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.llseek = noop_llseek,
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};
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```
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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。
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```
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static const struct file_operations input_devices_fileops = {
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.owner = THIS_MODULE,
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.open = input_proc_devices_open,
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.poll = input_proc_devices_poll,
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.read = seq_read,
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.llseek = seq_lseek,
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.release = seq_release,
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};
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```
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**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。
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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。
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**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。就像本节最开头展示的一样。
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**第六部分，声明一下lisense，调用MODULE\_LICENSE**。
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有了这六部分，一个内核模块就基本合格了，可以工作了。
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## 打开字符设备
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字符设备可不是一个普通的内核模块，它有自己独特的行为。接下来，我们就沿着打开一个字符设备的过程，看看字符设备这个内核模块做了哪些特殊的事情。
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要使用一个字符设备，我们首先要把写好的内核模块，通过insmod加载进内核。这个时候，先调用的就是module\_init调用的初始化函数。
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例如，在lp.c的初始化函数lp\_init对应的代码如下：
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```
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static int __init lp_init (void)
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{
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......
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if (register_chrdev (LP_MAJOR, "lp", &lp_fops)) {
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printk (KERN_ERR "lp: unable to get major %d\n", LP_MAJOR);
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return -EIO;
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}
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|
......
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|
}
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int __register_chrdev(unsigned int major, unsigned int baseminor,
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unsigned int count, const char *name,
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const struct file_operations *fops)
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{
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struct char_device_struct *cd;
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struct cdev *cdev;
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int err = -ENOMEM;
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......
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cd = __register_chrdev_region(major, baseminor, count, name);
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cdev = cdev_alloc();
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cdev->owner = fops->owner;
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cdev->ops = fops;
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kobject_set_name(&cdev->kobj, "%s", name);
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err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, baseminor), count);
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cd->cdev = cdev;
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return major ? 0 : cd->major;
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}
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```
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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。
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其中，MKDEV(cd->major, baseminor)表示将主设备号和次设备号生成一个dev\_t的整数，然后将这个整数dev\_t和cdev关联起来。
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```
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/**
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* cdev_add() - add a char device to the system
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* @p: the cdev structure for the device
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* @dev: the first device number for which this device is responsible
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* @count: the number of consecutive minor numbers corresponding to this
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* device
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*
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|
* cdev_add() adds the device represented by @p to the system, making it
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* live immediately. A negative error code is returned on failure.
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*/
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|
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)
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|
{
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int error;
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p->dev = dev;
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p->count = count;
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error = kobj_map(cdev_map, dev, count, NULL,
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exact_match, exact_lock, p);
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kobject_get(p->kobj.parent);
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return 0;
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```
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在logibm.c中，我们在logibm\_init找不到注册字符设备，这是因为input.c里面的初始化函数input\_init会调用register\_chrdev\_region，注册输入的字符设备，会在logibm\_init中调用input\_register\_device，将logibm.c这个字符设备注册到input.c里面去，这就相当于input.c对多个输入字符设备进行统一的管理。
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内核模块加载完毕后，接下来要通过mknod在/dev下面创建一个设备文件，只有有了这个设备文件，我们才能通过文件系统的接口，对这个设备文件进行操作。
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mknod也是一个系统调用，定义如下：
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```
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SYSCALL_DEFINE3(mknod, const char __user *, filename, umode_t, mode, unsigned, dev)
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{
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return sys_mknodat(AT_FDCWD, filename, mode, dev);
|
|
|
}
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|
SYSCALL_DEFINE4(mknodat, int, dfd, const char __user *, filename, umode_t, mode,
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|
|
unsigned, dev)
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{
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|
struct dentry *dentry;
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|
struct path path;
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|
......
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|
dentry = user_path_create(dfd, filename, &path, lookup_flags);
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|
|
......
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|
switch (mode & S_IFMT) {
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|
|
......
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|
case S_IFCHR: case S_IFBLK:
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error = vfs_mknod(path.dentry->d_inode,dentry,mode,
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new_decode_dev(dev));
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break;
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|
......
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|
|
}
|
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|
}
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```
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|
我们可以在这个系统调用里看到，在文件系统上，顺着路径找到/dev/xxx所在的文件夹，然后为这个新创建的设备文件创建一个dentry。这是维护文件和inode之间的关联关系的结构。
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接下来，如果是字符文件S\_IFCHR或者设备文件S\_IFBLK，我们就调用vfs\_mknod。
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```
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int vfs_mknod(struct inode *dir, struct dentry *dentry, umode_t mode, dev_t dev)
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{
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|
|
......
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|
error = dir->i_op->mknod(dir, dentry, mode, dev);
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|
|
......
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|
|
}
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```
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这里需要调用对应的文件系统的inode\_operations。应该调用哪个文件系统呢？
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如果我们在linux下面执行mount命令，能看到下面这一行：
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```
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devtmpfs on /dev type devtmpfs (rw,nosuid,size=3989584k,nr_inodes=997396,mode=755)
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```
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也就是说，/dev下面的文件系统的名称为devtmpfs，我们可以在内核中找到它。
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```
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static struct dentry *dev_mount(struct file_system_type *fs_type, int flags,
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const char *dev_name, void *data)
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{
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#ifdef CONFIG_TMPFS
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|
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return mount_single(fs_type, flags, data, shmem_fill_super);
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|
|
#else
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|
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return mount_single(fs_type, flags, data, ramfs_fill_super);
|
|
|
#endif
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|
|
}
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|
static struct file_system_type dev_fs_type = {
|
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|
.name = "devtmpfs",
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.mount = dev_mount,
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.kill_sb = kill_litter_super,
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|
};
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```
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从这里可以看出，devtmpfs在挂载的时候，有两种模式，一种是ramfs，一种是shmem都是基于内存的文件系统。这里你先不用管，基于内存的文件系统具体是怎么回事儿。
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```
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static const struct inode_operations ramfs_dir_inode_operations = {
|
|
|
......
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.mknod = ramfs_mknod,
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|
|
};
|
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|
static const struct inode_operations shmem_dir_inode_operations = {
|
|
|
#ifdef CONFIG_TMPFS
|
|
|
......
|
|
|
.mknod = shmem_mknod,
|
|
|
};
|
|
|
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|
```
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|
这两个mknod虽然实现不同，但是都会调用到同一个函数init\_special\_inode。
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```
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|
void init_special_inode(struct inode *inode, umode_t mode, dev_t rdev)
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{
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|
inode->i_mode = mode;
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|
if (S_ISCHR(mode)) {
|
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|
inode->i_fop = &def_chr_fops;
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|
inode->i_rdev = rdev;
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} else if (S_ISBLK(mode)) {
|
|
|
inode->i_fop = &def_blk_fops;
|
|
|
inode->i_rdev = rdev;
|
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|
} else if (S_ISFIFO(mode))
|
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|
inode->i_fop = &pipefifo_fops;
|
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|
else if (S_ISSOCK(mode))
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; /* leave it no_open_fops */
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|
}
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```
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显然这个文件是个特殊文件，inode也是特殊的。这里这个inode可以关联字符设备、块设备、FIFO文件、Socket等。我们这里只看字符设备。
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这里的inode的file\_operations指向一个def\_chr\_fops，这里面只有一个open，就等着你打开它。
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另外，inode的i\_rdev指向这个设备的dev\_t。还记得cdev\_map吗？通过这个dev\_t，可以找到我们刚在加载的字符设备cdev。
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```
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const struct file_operations def_chr_fops = {
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|
.open = chrdev_open,
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|
};
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```
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到目前为止，我们只是创建了/dev下面的一个文件，并且和相应的设备号关联起来。但是，我们还没有打开这个/dev下面的设备文件。
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现在我们来打开它。打开一个文件的流程，我们在[文件系统](https://time.geekbang.org/column/article/97876)那一节讲过了，这里不再重复。最终就像打开字符设备的图中一样，打开文件的进程的task\_struct里，有一个数组代表它打开的文件，下标就是文件描述符fd，每一个打开的文件都有一个struct file结构，会指向一个dentry项。dentry可以用来关联inode。这个dentry就是咱们上面mknod的时候创建的。
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在进程里面调用open函数，最终会调用到这个特殊的inode的open函数，也就是chrdev\_open。
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```
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static int chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
|
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{
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const struct file_operations *fops;
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struct cdev *p;
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struct cdev *new = NULL;
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int ret = 0;
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|
p = inode->i_cdev;
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if (!p) {
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struct kobject *kobj;
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int idx;
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kobj = kobj_lookup(cdev_map, inode->i_rdev, &idx);
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|
new = container_of(kobj, struct cdev, kobj);
|
|
|
p = inode->i_cdev;
|
|
|
if (!p) {
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|
inode->i_cdev = p = new;
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|
list_add(&inode->i_devices, &p->list);
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|
new = NULL;
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|
}
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|
|
}
|
|
|
......
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|
fops = fops_get(p->ops);
|
|
|
......
|
|
|
replace_fops(filp, fops);
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|
if (filp->f_op->open) {
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|
|
ret = filp->f_op->open(inode, filp);
|
|
|
......
|
|
|
}
|
|
|
......
|
|
|
}
|
|
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|
```
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|
在这个函数里面，我们首先看这个inode的i\_cdev，是否已经关联到cdev。如果第一次打开，当然没有。没有没关系，inode里面有i\_rdev呀，也就是有dev\_t。我们可以通过它在cdev\_map中找cdev。咱们上面注册过了，所以肯定能够找到。找到后我们就将inode的i\_cdev，关联到找到的cdev new。
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找到cdev就好办了。cdev里面有file\_operations，这是设备驱动程序自己定义的。我们可以通过它来操作设备驱动程序，把它付给struct file里面的file\_operations。这样以后操作文件描述符，就是直接操作设备了。
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最后，我们需要调用设备驱动程序的file\_operations的open函数，真正打开设备。对于打印机，调用的是lp\_open。对于鼠标调用的是input\_proc\_devices\_open，最终会调用到logibm\_open。这些多和设备相关，你不必看懂它们。
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## 写入字符设备
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当我们像打开一个文件一样打开一个字符设备之后，接下来就是对这个设备的读写。对于文件的读写咱们在文件系统那一章详细讲述过，读写的过程是类似的，所以这里我们只解析打印机驱动写入的过程。
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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。接下来再调用vfs\_write。
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```
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ssize_t __vfs_write(struct file *file, const char __user *p, size_t count, loff_t *pos)
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{
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|
if (file->f_op->write)
|
|
|
return file->f_op->write(file, p, count, pos);
|
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|
else if (file->f_op->write_iter)
|
|
|
return new_sync_write(file, p, count, pos);
|
|
|
else
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|
return -EINVAL;
|
|
|
}
|
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```
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|
我们可以看到，在\_\_vfs\_write里面，我们会调用struct file结构里的file\_operations的write函数。上面我们打开字符设备的时候，已经将struct file结构里面的file\_operations指向了设备驱动程序的file\_operations结构，所以这里的write函数最终会调用到lp\_write。
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|
```
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|
static ssize_t lp_write(struct file * file, const char __user * buf,
|
|
|
size_t count, loff_t *ppos)
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|
{
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|
|
unsigned int minor = iminor(file_inode(file));
|
|
|
struct parport *port = lp_table[minor].dev->port;
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|
|
char *kbuf = lp_table[minor].lp_buffer;
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|
ssize_t retv = 0;
|
|
|
ssize_t written;
|
|
|
size_t copy_size = count;
|
|
|
......
|
|
|
/* Need to copy the data from user-space. */
|
|
|
if (copy_size > LP_BUFFER_SIZE)
|
|
|
copy_size = LP_BUFFER_SIZE;
|
|
|
......
|
|
|
if (copy_from_user (kbuf, buf, copy_size)) {
|
|
|
retv = -EFAULT;
|
|
|
goto out_unlock;
|
|
|
}
|
|
|
......
|
|
|
do {
|
|
|
/* Write the data. */
|
|
|
written = parport_write (port, kbuf, copy_size);
|
|
|
if (written > 0) {
|
|
|
copy_size -= written;
|
|
|
count -= written;
|
|
|
buf += written;
|
|
|
retv += written;
|
|
|
}
|
|
|
......
|
|
|
if (need_resched())
|
|
|
schedule ();
|
|
|
|
|
|
|
|
|
if (count) {
|
|
|
copy_size = count;
|
|
|
if (copy_size > LP_BUFFER_SIZE)
|
|
|
copy_size = LP_BUFFER_SIZE;
|
|
|
|
|
|
|
|
|
if (copy_from_user(kbuf, buf, copy_size)) {
|
|
|
if (retv == 0)
|
|
|
retv = -EFAULT;
|
|
|
break;
|
|
|
}
|
|
|
}
|
|
|
} while (count > 0);
|
|
|
......
|
|
|
|
|
|
```
|
|
|
|
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这个设备驱动程序的写入函数的实现还是比较典型的。先是调用copy\_from\_user将数据从用户态拷贝到内核态的缓存中，然后调用parport\_write写入外部设备。这里还有一个schedule函数，也即写入的过程中，给其他线程抢占CPU的机会。然后，如果count还是大于0，也就是数据还没有写完，那我们就接着copy\_from\_user，接着parport\_write，直到写完为止。
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## 使用IOCTL控制设备
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对于I/O设备来讲，我们前面也说过，除了读写设备，还会调用ioctl，做一些特殊的I/O操作。
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ioctl也是一个系统调用，它在内核里面的定义如下：
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```
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SYSCALL_DEFINE3(ioctl, unsigned int, fd, unsigned int, cmd, unsigned long, arg)
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{
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int error;
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struct fd f = fdget(fd);
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......
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error = do_vfs_ioctl(f.file, fd, cmd, arg);
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fdput(f);
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return error;
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}
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```
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其中，fd是这个设备的文件描述符，cmd是传给这个设备的命令，arg是命令的参数。其中，对于命令和命令的参数，使用ioctl系统调用的用户和驱动程序的开发人员约定好行为即可。
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其实cmd看起来是一个int，其实他的组成比较复杂，它由几部分组成：
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* 最低八位为NR，是命令号；
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* 然后八位是TYPE，是类型；
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* 然后十四位是参数的大小；
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* 最高两位是DIR，是方向，表示写入、读出，还是读写。
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由于组成比较复杂，有一些宏是专门用于组成这个cmd值的。
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```
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/*
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* Used to create numbers.
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*/
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#define _IO(type,nr) _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)
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#define _IOR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))
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#define _IOW(type,nr,size) _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))
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#define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))
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/* used to decode ioctl numbers.. */
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#define _IOC_DIR(nr) (((nr) >> _IOC_DIRSHIFT) & _IOC_DIRMASK)
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#define _IOC_TYPE(nr) (((nr) >> _IOC_TYPESHIFT) & _IOC_TYPEMASK)
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#define _IOC_NR(nr) (((nr) >> _IOC_NRSHIFT) & _IOC_NRMASK)
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#define _IOC_SIZE(nr) (((nr) >> _IOC_SIZESHIFT) & _IOC_SIZEMASK)
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```
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在用户程序中，可以通过上面的“Used to create numbers”这些宏，根据参数生成cmd，在驱动程序中，可以通过下面的“used to decode ioctl numbers”这些宏，解析cmd后，执行指令。
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ioctl中会调用do\_vfs\_ioctl，这里面对于已经定义好的cmd，进行相应的处理。如果不是默认定义好的cmd，则执行默认操作。对于普通文件，调用file\_ioctl；对于其他文件调用vfs\_ioctl。
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```
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int do_vfs_ioctl(struct file *filp, unsigned int fd, unsigned int cmd,
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unsigned long arg)
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{
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int error = 0;
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int __user *argp = (int __user *)arg;
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struct inode *inode = file_inode(filp);
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switch (cmd) {
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......
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case FIONBIO:
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error = ioctl_fionbio(filp, argp);
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break;
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case FIOASYNC:
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error = ioctl_fioasync(fd, filp, argp);
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break;
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......
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case FICLONE:
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return ioctl_file_clone(filp, arg, 0, 0, 0);
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default:
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if (S_ISREG(inode->i_mode))
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error = file_ioctl(filp, cmd, arg);
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else
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error = vfs_ioctl(filp, cmd, arg);
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break;
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}
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return error;
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```
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由于咱们这里是设备驱动程序，所以调用的是vfs\_ioctl。
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```
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/**
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* vfs_ioctl - call filesystem specific ioctl methods
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* @filp: open file to invoke ioctl method on
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* @cmd: ioctl command to execute
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* @arg: command-specific argument for ioctl
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|
*
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* Invokes filesystem specific ->unlocked_ioctl, if one exists; otherwise
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* returns -ENOTTY.
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*
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* Returns 0 on success, -errno on error.
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*/
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long vfs_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
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{
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int error = -ENOTTY;
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if (!filp->f_op->unlocked_ioctl)
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goto out;
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error = filp->f_op->unlocked_ioctl(filp, cmd, arg);
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if (error == -ENOIOCTLCMD)
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|
error = -ENOTTY;
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out:
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return error;
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```
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这里面调用的是struct file里file\_operations的unlocked\_ioctl函数。我们前面初始化设备驱动的时候，已经将file\_operations指向设备驱动的file\_operations了。这里调用的是设备驱动的unlocked\_ioctl。对于打印机程序来讲，调用的是lp\_ioctl。可以看出来，这里面就是switch语句，它会根据不同的cmd，做不同的操作。
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```
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static long lp_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd,
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unsigned long arg)
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{
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unsigned int minor;
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struct timeval par_timeout;
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int ret;
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minor = iminor(file_inode(file));
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mutex_lock(&lp_mutex);
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switch (cmd) {
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......
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default:
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ret = lp_do_ioctl(minor, cmd, arg, (void __user *)arg);
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break;
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}
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mutex_unlock(&lp_mutex);
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return ret;
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|
}
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static int lp_do_ioctl(unsigned int minor, unsigned int cmd,
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unsigned long arg, void __user *argp)
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{
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int status;
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int retval = 0;
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switch ( cmd ) {
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case LPTIME:
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if (arg > UINT_MAX / HZ)
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return -EINVAL;
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LP_TIME(minor) = arg * HZ/100;
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break;
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case LPCHAR:
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LP_CHAR(minor) = arg;
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break;
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case LPABORT:
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if (arg)
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LP_F(minor) |= LP_ABORT;
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|
else
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LP_F(minor) &= ~LP_ABORT;
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|
break;
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case LPABORTOPEN:
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|
if (arg)
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|
LP_F(minor) |= LP_ABORTOPEN;
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|
else
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|
LP_F(minor) &= ~LP_ABORTOPEN;
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|
break;
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case LPCAREFUL:
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|
if (arg)
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|
LP_F(minor) |= LP_CAREFUL;
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|
|
else
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|
|
LP_F(minor) &= ~LP_CAREFUL;
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|
break;
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case LPWAIT:
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LP_WAIT(minor) = arg;
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|
break;
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case LPSETIRQ:
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return -EINVAL;
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|
break;
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case LPGETIRQ:
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if (copy_to_user(argp, &LP_IRQ(minor),
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|
sizeof(int)))
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return -EFAULT;
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|
break;
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case LPGETSTATUS:
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if (mutex_lock_interruptible(&lp_table[minor].port_mutex))
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return -EINTR;
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lp_claim_parport_or_block (&lp_table[minor]);
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status = r_str(minor);
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lp_release_parport (&lp_table[minor]);
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|
mutex_unlock(&lp_table[minor].port_mutex);
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|
if (copy_to_user(argp, &status, sizeof(int)))
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return -EFAULT;
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|
break;
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case LPRESET:
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lp_reset(minor);
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|
break;
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|
case LPGETFLAGS:
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|
status = LP_F(minor);
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|
if (copy_to_user(argp, &status, sizeof(int)))
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|
|
return -EFAULT;
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|
break;
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|
default:
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|
retval = -EINVAL;
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|
|
}
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|
|
return retval
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```
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## 总结时刻
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这一节我们讲了字符设备的打开、写入和ioctl等最常见的操作。一个字符设备要能够工作，需要三部分配合。
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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。
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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。
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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。
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## 课堂练习
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这节我用打印机驱动程序作为例子来给你讲解字符设备，请你仔细看一下它的代码，设想一下，如果让你自己写一个字符设备驱动程序，应该实现哪些函数呢？
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欢迎留言和我分享你的疑惑和见解 ，也欢迎可以收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习和进步。
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