一個簡單的字元裝置(1)

    這次就讓我們來實作一個字元驅動，可是沒有硬體，是要驅動什麼？沒關係，沒硬體有沒硬體的作法，就拿記憶體來當一個虛擬的裝置吧！雖然讀寫記憶體和讀寫暫存器的方法不一樣，還是可以讓我們學到很多東西的。

    首先必須要先決定這個虛擬的裝置應該長的怎麼樣，下面就是裝置的資料結構：

struct chrdev {
    int id;
    struct device *dev;
};

struct chrdev_inst {
    struct chrdev *c_dev;
    int size;
    char *buf;
};

struct chrdev c_dev = {
    .id = 1,
};

給了這個裝置一個ID，分配的記憶體大小(size)，buf這個指標指的就是到時後要存取的記憶體。

    因為這個裝置是實驗性質，不會被編進kernel，是以module的方式存在，所以要建立當下insmod和rmmod指令時相對應的載入和卸載函式，其中載入函式如下：

static struct file_operations chrdev_fops = {
    .read = chrdev_read,
    .write = chrdev_write,
    .unlocked_ioctl = chrdev_ioctl,
    .mmap = chrdev_mmap,
    .open = chrdev_open,
    .release = chrdev_release,
};

struct class *chrdev_class;

static struct chrdev_inst *alloc_chrdev_inst(void)
{
    struct chrdev_inst *inst;

    inst = kzalloc(sizeof(struct chrdev_inst), GFP_KERNEL);
    if (inst == NULL)
        goto out;

    inst->buf = kzalloc(BUFFER_SIZE, GFP_KERNEL);
    if (inst->buf == NULL)
        goto free_inst;

    inst->size = BUFFER_SIZE;

    return inst;

free_inst:
    kfree(inst);
out:
    return NULL;
}

int __init chrdev_init(void)
{
    int ret;
    dev_t devno;
    struct chrdev_inst *inst;

    inst = alloc_chrdev_inst();
    if (inst == NULL) {
        ret = -ENOMEM;
        goto out;
    }
    inst->c_dev = &c_dev;

    ret = register_chrdev(chrdev_major, "chrdev", &chrdev_fops);;
    if(ret < 0)
        goto free_inst;

    if (chrdev_major == 0)
        chrdev_major = ret;
    ret = 0;

    chrdev_class = class_create(THIS_MODULE, "chrdev_class");
    if (IS_ERR(chrdev_class)) {
        ret = PTR_ERR(chrdev_class);
        goto release_chrdev;
    }
   
    devno = MKDEV(chrdev_major, c_dev.id);
    c_dev.dev = device_create(chrdev_class, NULL, devno, inst, "%s-%d", "chrdev", c_dev.id);

    return ret;

release_chrdev:
    unregister_chrdev(chrdev_major, "chrdev");
free_inst:
    free_chrdev_inst(inst);
out:
    return ret;
}
module_init(chrdev_init);

這個函式的主要工作：

1. 分配記憶體給struct chrdev_inst
2. 為讀寫的區域也分配一個BUFFER_SIZE大小的記憶體
3. 註冊字元裝置的裝置編號
4. 建立class和device

    分配記憶體的部份這邊採用kernel提供的kzalloc()的方法，GFP_KERNEL是一個mask， 用來分配一般kernel的記憶體，其他還有GFP_ATOMIC(不會block，可用在interrupt處理函式裡) ，GFP_HIGHUSER(分配高端記憶體)...等等。

    註冊字元裝置的裝置編號用的是register_chrdev()方法，需要傳入主裝置編號，裝置名稱，檔案操作資料結構(struct file_operations)。如果主裝置編號為0，他會自動分配一個沒被使用的主編號，那次要編號咧？register_chrdev()會分配255個次要編號，我們也可以選擇分配一個range的次要編號，那就要改用alloc_chrdev_region()或register_chrdev_region()，這兩個函式只單純分配裝置編號，所以字元裝置的結構(struct cdev)需要我們自己處理，不過kernel很好心的提供了cdev_init()，cdev_add()...等API讓我們減少工作量。檔案操作資料結構裡面定義了一些callback functions，這就是字元裝置能被當成一般檔案處理的原因了，在驅動裡面這些callback functions需要我們自己實現 。

    為了要讓udev幫我們自動在/dev目錄下面建立一個裝置檔案，所以這邊需要建立class和device兩個資料結構，要建立class的原因是這個device必須屬於某個class或bus才能觸發hotplug，device_create()傳入裝置編號(MKDEV用來產生裝置編號)，裝置私有資料(inst), 裝置在/dev目錄下的名稱。其中NULL那一個參數是這個device的parent device，如果是NULL，那他的parent就是virtual，所以我們的device會出現在/sys/devices/virtual/chrdev_class/chrdev-1。

    這邊看到很多地方用了goto，回想以前唸書的時候老師都說不用要用goto，為什麼這邊還用，而且用了一堆！其實整個kernel裡面用的才多咧，不過只要是用在錯誤的處理上，處理得當其實無傷大雅啦！

    接下來還看卸載函式吧！卸載函式如下：

static void free_chrdev_inst(struct chrdev_inst *inst)
{
    kfree(inst->buf);
    kfree(inst);
}

void __exit chrdev_exit(void)
{
    struct chrdev_inst *inst = dev_get_drvdata(c_dev.dev);

    device_destroy(chrdev_class, MKDEV(chrdev_major, c_dev.id));
    class_destroy(chrdev_class);
    unregister_chrdev(chrdev_major, "chrdev");
    free_chrdev_inst(inst);

}
module_exit(chrdev_exit);

卸載函式主要作的事跟載入函式相反，移除device和class，釋放裝置編號，釋放分配的記憶體空間。看完了我們的虛擬字元裝置載入和卸載函式，接下來就是檔案操作函式啦，不過這篇已經有點太長了，下集待續啦！！