linux内核的设备树在哪里修改（Linux设备驱动-内核如何管理设备号）

本文引用的内核代码参考来自版本 linux-5.15.4 ，我来为大家科普一下关于linux内核的设备树在哪里修改?下面希望有你要的答案，我们一起来看看吧!

linux内核的设备树在哪里修改

开篇

本文引用的内核代码参考来自版本 linux-5.15.4 。

在 Linux 系统中，每个注册到系统的设备都有一个编号，这个编号便是 Linux 系统中的设备号。

设备号作为一种系统资源，需要加以管理。否则，如果设备号与驱动程序对应关系错误，就会引起混乱或引起潜在的问题。

通过查看 /proc/devices 文件可以得到系统中注册的设备，第一列为主设备号，第二列为设备名称

$ cat /proc/devices Character devices: 1 mem 4 /dev/vc/0 4 tty 4 ttyS 5 /dev/tty 5 /dev/console 5 /dev/ptmx 5 ttyprintk 6 lp 7 vcs 10 misc 13 input 21 sg ... Block devices: 7 loop 8 sd 9 md 11 sr 65 sd 66 sd ...

设备号的构成

一个设备号由主设备号和次设备号构成。

主设备号对应设备驱动程序，同一类设备一般使用相同的主设备号。

次设备号由驱动程序使用，驱动程序用来描述使用该驱动的设备的序号，序号一般从 0 开始。

Linux 设备号用 dev_t 类型的变量进行标识，这是一个 32位 无符号整数，内核源码定义为：

/* <include/linux/types.h> */ typedef u32 __kernel_dev_t; typedef __kernel_dev_t dev_t;

主设备号用 dev_t 的高 12 位表示，次设备号用 dev_t 低 20 位表示。

内核提供了几个宏定义，供驱动程序操作设备号时使用：

/* <include/linux/kdev_t.h> */ #define MINORBITS 20 #define MINORMASK ((1U << MINORBITS) - 1) #define MAJOR(dev) ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS)) #define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK)) #define MKDEV(ma,mi) (((ma) << MINORBITS) | (mi))

宏 MAJOR 从设备号 dev 中提取主设备号。宏 MINOR 用来从设备号 dev 中提取次设备号。宏 MKDEV 用来将主设备号 ma 和 次设备号 mi 组合成 dev_t 类型的设备号。

另外，内核也提供了从设备文件 i-节点结构（inode 结构体）中获取主次设备号的函数，如下：

/* <include/linux/fs.h> */ /* 获取次设备号 */ static inline unsigned iminor(const struct inode *inode) { return MINOR(inode->i_rdev); } /* 获取主设备号 */ static inline unsigned imajor(const struct inode *inode) { return MAJOR(inode->i_rdev); }

通过函数源码可知，获取主设备号和次设备号最终是通过宏定义完成的。

内核管理设备号

以字符设备为例，向内核中注册设备号，内核是如何分配和管理设备号的呢？

在编写字符设备驱动时，可以通过如下两个系统调用向内核注册设备号：

• register_chrdev_region()

注册一系列连续的字符设备号，主设备号需要函数调用者指定。此函数的原型为：

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)

参数 from 为设备编号，包含主设备号和次设备号。参数 count 用于指定连续设备号的个数，即当前驱动程序所管理的同类设备的个数。参数 name 为设备或驱动的名字。

执行成功，返回 0。失败，则返回一个负值的错误码。

• alloc_chrdev_region()

注册一系列连续的字符设备号，主设备号是由内核动态分配得到的。此函数的原型为：

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)

参数 dev 为函数的传出参数，用于记录动态分配的设备号，如果申请多个设备号，则此参数记录这些连续设备号的起始值。

参数 baseminor 指定首个次设备号。参数 count 用于指定连续设备号的个数。参数 name 为设备或驱动的名字。

执行成功，返回 0。失败，则返回一个负值的错误码。

接下来，看看这两个函数的内部实现流程。

register_chrdev_region()

该函数的内核源码为，关键部分已加注释：

/* <fs.char_dev.c> */ int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name) { struct char_device_struct *cd; dev_t to = from count; dev_t n, next; /* 循环，注册多个连续的设备号 */ for (n = from; n < to; n = next) { /* 计算得到下一个设备号 */ next = MKDEV(MAJOR(n) 1, 0); /* 判断是否超限 */ if (next > to) next = to; /* 向内核注册指定的设备号 */ cd = __register_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n, name); if (IS_ERR(cd)) goto fail; } return 0; fail: /* 如果失败，则释放已申请的设备号资源 */ to = n; for (n = from; n < to; n = next) { next = MKDEV(MAJOR(n) 1, 0); kfree(__unregister_chrdev_region(MAJOR(n), MINOR(n), next - n)); } return PTR_ERR(cd); }

由代码内容可知，这个函数的核心处理流程是通过内部调用 __register_chrdev_region()实现的。

这个函数的主要功能是，将要使用的设备号注册到内核的设备号管理体系中，避免多个驱动程序使用相同的设备号，而引起的混乱。

如果注册设备号已经被使用，则会返回错误码告知调用者，即调用失败。如果成功，则函数返回 0。

struct char_device_struct

在调用过程中，会涉及到一个关键的数据结构 struct char_device_struct，其定义如下：

#define CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE 255 static struct char_device_struct { struct char_device_struct *next; /* 链表指针 */ unsigned int major; /* 主设备号 */ unsigned int baseminor; /* 次设备号 */ int minorct; /* 此设备号个数 */ char name[64]; /* 设备名称 */ struct cdev *cdev; /* will die */ } *chrdevs[CHRDEV_MAJOR_HASH_SIZE];

定义结构体的同时，还定义了一个全局性的指针数组 chrdevs，是内核用来分配和管理设备号的。数组中的每一个元素都是指向 struct char_device_struct 类型的指针。

函数 register_chrdev_region() 的主要功能是将驱动程序要使用的设备号记录到 chrdevs 数组中。

__register_chrdev_region()

核心处理函数 __register_chrdev_region() 内部，首先会分配一个 struct char_device_struct 类型的指针 cd，然后对其进行初始化（已经去除无关代码）：

static struct char_device_struct * __register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor, int minorct, const char *name) { ... cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL); if (cd == NULL) return ERR_PTR(-ENOMEM); /* 根据主设备号计算索引，搜索 chrdevs 数组，判断主设备号是否可用 */ i = major_to_index(major); for (curr = chrdevs[i]; curr; prev = curr, curr = curr->next) { if (curr->major < major) continue; if (curr->major > major) break; if (curr->baseminor curr->minorct <= baseminor) continue; if (curr->baseminor >= baseminor minorct) break; goto out; } /* 初始化信息 */ cd->major = major; cd->baseminor = baseminor; cd->minorct = minorct; strlcpy(cd->name, name, sizeof(cd->name)); /* 将分配的 cd 加入到 chrdevs[i] 中 */ if (!prev) { cd->next = curr; chrdevs[i] = cd; } else { cd->next = prev->next; prev->next = cd; } ... }

函数申请完内存资源后，开始扫描 chrdevs 数组，确保当前注册的设备号可用。如果设备号占用，函数返回错误码，即调用失败。

如果设备号可用，则用设备号和名字信息初始化。初始化完成后，将 struct char_device_struct 加入到内核管理设备号的链表中。

alloc_chrdev_region()

此函数由内核动态分配设备号，该函数的内核源码如下，关键部分已加注释：

/* <fs.char_dev.c> */ int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name) { struct char_device_struct *cd; /* 向内核注册设备号 */ cd = __register_chrdev_region(0, baseminor, count, name); if (IS_ERR(cd)) return PTR_ERR(cd); /* 得到动态获取的首个设备号 */ *dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor); return 0; }

这个函数的核心处理也是由函数 __register_chrdev_region() 实现的。

与 register_chrdev_region() 相比，alloc_chrdev_region() 在调用 __register_chrdev_region() 时，第一个参数为 0。此时 __register_chrdev_region() 处理流程代码如下，

static struct char_device_struct * __register_chrdev_region(unsigned int major, unsigned int baseminor, int minorct, const char *name) { ... cd = kzalloc(sizeof(struct char_device_struct), GFP_KERNEL); if (cd == NULL) return ERR_PTR(-ENOMEM); /* 查找可用的主设备号 */ f (major == 0) { ret = find_dynamic_major(); if (ret < 0) { pr_err("CHRDEV \"%s\" dynamic allocation region is full\n", name); goto out; } major = ret; } ... }

在分配完成 struct char_device_struct 内存资源之后，通过 find_dynamic_major() 查找可用的主设备号。后续处理与 register_chrdev_region() 函数调用处理相同。

设备号分配成功后，将 struct char_device_struct 类型指针返回给 alloc_chrdev_region() 函数。然后再通过如下代码将新分派的设备号返回给 alloc_chrdev_region() 调用者：

*dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor);

小结

本文主要介绍了以下几点内容：

• 设备号是如何构成的，以及对其操作的宏定义。
• register_chrdev_region() 和 alloc_chrdev_region() 实现细节。
• 记录设备号相关信息的关键数据结构 struct char_device_struct。
• 内核通过 chrdevs 数组来跟踪系统中设备号的使用情况。

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