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這兩個函數是字符設備初始化相關的內核函數。

要想了解這兩個函數，必須要知道字符設備的架構，以及字符設備創建的流程。

關于字符設備可以參考下面這篇文章 《手把手教Linux驅動3-之字符設備架構詳解，有這篇就夠了》

一、字符設備架構

下面我們以兩個設備：LED、MPU6050為例來講解字符設備的架構

由上圖所示：

1、硬件

外設有MPU6050、LED兩個設備，他們通過外設電路連接到SOC的對應的引腳上。程序要操作外設，就要通過設置soc中對應的SFR來與外設交互。

2、驅動層

• 每一個字符設備都必須首先定義一個結構體變量struct cdev，并注冊到內核中
• 所有的該變量在內核中會通過鏈表進程管理，其中成員list用于將所有鏈表串接起來
• 用于操作外設的功能函數全部被封裝在struct file_operations中，包括read、write等
• 每一個字符設備都必須要有一個設備號，保存在成員dev中，
• 主、次設備號只能被分配一次
• 所有的字符設備號，都由數組chrdevs統一管理
• chrdevs是一個指針數組，成員類型為**struct char_device_struct ***，下標與字符設備號有一定的對應關系，
• **struct char_device_struct **中有成員：

unsigned int major; 
struct cdev *cdev;  

major : 是主設備號 cdev : 指向該字符設備號對應的cdev結構體

3、應用層、VFS層

• 用戶如果想操作硬件，必須調用內核中的struct file_operations中的操作函數，
• 那么如何才能找到該結構體呢?必須要依賴文件節點來查找，可以通過以下命令來創建

mknod  /dev/led c 250 0 
 mknod 創建設備文件，可以使字符設備，也可以是塊設備 
 /dev/led 設備文件名 
 c  字符設備 
 250  主設備號 
 0    次設備號 

字符設備文件屬性中最重要的屬性就是字符設備號，該設備號和chedevs的下標有一定對應關系

• 通過mknod創建的文件，VFS層會分配一個結構體變量來維護該文件，類型為struct inode
• 每新建1個文件內核都會創建不同的結構體變量與之對應
• 應用程序要操作某個字符設備，那么必須先通過系統調用open()來打開該字符設備
• 該函數會返回一個唯一的整型文件描述符，同時內核中會分配結構體變量，類型為struct file，并與文件描述符一一對應，該結構體維護在struct task_struct中
• 每次打開某個文件，都會分配不同的文件描述符，所以需要用不同的變量來保存文件描述符

二、字符設備創建的流程

了解了架構之后，那么我們來看一下內核中完整的創建字符設備的流程及對應的函數調用關系：

如下圖所示,字符設備的創建主要包括以下三個步驟：

1. 申請設備號
2. 初始化cdev
3. 注冊cdev 調用的函數見右側

下面是一個最簡單的額字符設備創建的實例

/*   
 *一口Linux 
 *2021.6.21 
 *version: 1.0.0 
*/ 
 
#include <linux/init.h> 
#include <linux/module.h> 
#include <linux/kdev_t.h> 
#include <linux/fs.h> 
#include <linux/cdev.h> 
 
static int major = 237; 
static int minor = 0; 
static dev_t devno; 
static struct cdev cdev; 
static int hello_open (struct inode *inode, struct file *filep) 
{ 
 printk("hello_open()\n"); 
 return 0; 
} 
static struct file_operations hello_ops =  
{ 
 .open = hello_open, 
}; 
static int hello_init(void) 
{ 
 int result; 
 int error;  
 printk("hello_init \n"); 
 devno = MKDEV(major,minor);  
 result = register_chrdev_region(devno, 1, "test"); 
 if(result<0) 
 { 
  printk("register_chrdev_region fail \n"); 
  return result; 
 } 
 cdev_init(&cdev,&hello_ops); 
 error = cdev_add(&cdev,devno,1); 
 if(error < 0) 
 { 
  printk("cdev_add fail \n"); 
  unregister_chrdev_region(devno,1); 
  return error; 
 } 
 return 0; 
} 
static void hello_exit(void) 
{ 
 printk("hello_exit \n"); 
 cdev_del(cdev); 
 unregister_chrdev_region(devno,1); 
 return; 
} 
module_init(hello_init); 
module_exit(hello_exit); 

該實例代碼主要功能：

1. 申請了字符設備號237
2. 初始化cdev，并注冊了cdev

應用程序如果要想使用，還必須創建字符設備節點

mknod /dev/test c 237 0 

這樣應用程序就可以通過設備節點/dev/test 調用到對應的內核操作函數.open = hello_open,

/*   
 *一口Linux 
 *2021.6.21 
 *version: 1.0.0 
*/ 
 
#include <stdio.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <sys/stat.h> 
#include <fcntl.h> 
main() 
{ 
 int fd; 
 fd = open("/dev/test",O_RDWR); 
 if(fd<0) 
 { 
  perror("open fail \n"); 
  return; 
 } 
 printf("open ok \n "); 
} 

三、函數功能和定義

搞懂上面字符設備創建步驟之后，我們就可以來真正分析cdev_init、cdev_alloc這兩個函數了

1. cdev_init()

原型 
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops) 
 
功能 
 用于初始化cdev結構體，并填充其成員ops 
參數 
   cdev：字符設備 
   fops ：驅動操作函數集合 
返回值 
  無 

該函數實現如下：

/** 
 * cdev_init() - initialize a cdev structure 
 * @cdev: the structure to initialize 
 * @fops: the file_operations for this device 
 * 
 * Initializes @cdev, remembering @fops, making it ready to add to the 
 * system with cdev_add(). 
 */ 
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops) 
{ 
 memset(cdev, 0, sizeof *cdev); 
 INIT_LIST_HEAD(&cdev->list); 
 kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default); 
 cdev->ops = fops; 
} 

2. cdev_alloc

原型 
struct cdev *cdev_alloc(void) 
 
功能 
 用于分配cdev結構體，并添加到內核中 
參數 
返回值 
  成功：返回分配的cdev結構體變量指針 
  失敗： 返回NULL 

該函數實現如下：

/** 
 * cdev_alloc() - allocate a cdev structure 
 * 
 * Allocates and returns a cdev structure, or NULL on failure. 
 */ 
struct cdev *cdev_alloc(void) 
{ 
 struct cdev *p = kzalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL); 
 if (p) { 
  INIT_LIST_HEAD(&p->list); 
  kobject_init(&p->kobj, &ktype_cdev_dynamic); 
 } 
 return p; 
} 

注意，該函數分配的cdev需要free掉 該函數沒有初始化cdev->ops成員

四、cdev_alloc()的使用

該函數主要用于讓用戶省去操作cdev的操作，只需要提供**struct file_operations **變量就可以通過以下函數注冊字符設備

static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name, 
      const struct file_operations *fops) 
{ 
 return __register_chrdev(major, 0, 256, name, fops); 
} 

其中函數__register_chrdev()定義如下：

/** 
 * __register_chrdev() - create and register a cdev occupying a range of minors 
 * @major: major device number or 0 for dynamic allocation 
 * @baseminor: first of the requested range of minor numbers 
 * @count: the number of minor numbers required 
 * @name: name of this range of devices 
 * @fops: file operations associated with this devices 
 * 
 * If @major == 0 this functions will dynamically allocate a major and return 
 * its number. 
 * 
 * If @major > 0 this function will attempt to reserve a device with the given 
 * major number and will return zero on success. 
 * 
 * Returns a -ve errno on failure. 
 * 
 * The name of this device has nothing to do with the name of the device in 
 * /dev. It only helps to keep track of the different owners of devices. If 
 * your module name has only one type of devices it's ok to use e.g. the name 
 * of the module here. 
 */ 
int __register_chrdev(unsigned int major, unsigned int baseminor, 
        unsigned int count, const char *name, 
        const struct file_operations *fops) 
{ 
 struct char_device_struct *cd; 
 struct cdev *cdev; 
 int err = -ENOMEM; 
 
 cd = __register_chrdev_region(major, baseminor, count, name); 
 if (IS_ERR(cd)) 
  return PTR_ERR(cd); 
 
 cdev = cdev_alloc(); 
 if (!cdev) 
  goto out2; 
 
 cdev->owner = fops->owner; 
 cdev->ops = fops; 
 kobject_set_name(&cdev->kobj, "%s", name); 
 
 err = cdev_add(cdev, MKDEV(cd->major, baseminor), count); 
 if (err) 
  goto out; 
 
 cd->cdev = cdev; 
 
 return major ? 0 : cd->major; 
out: 
 kobject_put(&cdev->kobj); 
out2: 
 kfree(__unregister_chrdev_region(cd->major, baseminor, count)); 
 return err; 
} 

可以看到該函數，復用了cdev_alloc()、cdev_add()，我們只需要提供以下3個參數即可：

unsigned int major  主設備號 
const char *name    設備號名字 
const struct file_operations *fops 驅動操作函數集合 

五、結論

cdev_alloc()函數相當于

struct cdev cdev; 
cdev_init($cdev,&hello_ops) 

本文轉載自微信公眾號「一口Linux」