3.2. 主次编号

字符设备通过文件系统中的名子来存取. 那些名子称为文件系统的特殊文件, 或者设备文件, 或者文件系统的简单结点; 惯例上它们位于 /dev 目录. 字符驱动的特殊文件由使用 ls -l 的输出的第一列的"c"标识. 块设备也出现在 /dev 中, 但是它们由"b"标识. 本章集中在字符设备, 但是下面的很多信息也适用于块设备.

如果你发出 ls -l 命令, 你会看到在设备文件项中有 2 个数(由一个逗号分隔)在最后修改日期前面, 这里通常是文件长度出现的地方. 这些数字是给特殊设备的主次设备编号. 下面的列表显示了一个典型系统上出现的几个设备. 它们的主编号是 1, 4, 7, 和 10, 而次编号是 1, 3, 5, 64, 65, 和 129.

 crw-rw-rw- 1 root  root  1,  3 Apr 11  2002 null 
 crw------- 1 root  root  10, 1 Apr 11  2002 psaux 
 crw------- 1 root  root  4,  1 Oct 28 03:04 tty1 
 crw-rw-rw- 1 root  tty   4, 64 Apr 11  2002 ttys0 
 crw-rw---- 1 root  uucp  4, 65 Apr 11  2002 ttyS1 
 crw--w---- 1 vcsa  tty   7,  1 Apr 11  2002 vcs1 
 crw--w---- 1 vcsa  tty   7,129 Apr 11  2002 vcsa1 
 crw-rw-rw- 1 root  root  1,  5 Apr 11  2002 zero  

传统上, 主编号标识设备相连的驱动. 例如, /dev/null 和 /dev/zero 都由驱动 1 来管理, 而虚拟控制台和串口终端都由驱动 4 管理; 同样, vcs1 和 vcsa1 设备都由驱动 7 管理. 现代 Linux 内核允许多个驱动共享主编号, 但是你看到的大部分设备仍然按照一个主编号一个驱动的原则来组织.

次编号被内核用来决定引用哪个设备. 依据你的驱动是如何编写的(如同我们下面见到的), 你可以从内核得到一个你的设备的直接指针, 或者可以自己使用次编号作为本地设备数组的索引. 不论哪个方法, 内核自己几乎不知道次编号的任何事情, 除了它们指向你的驱动实现的设备.

3.2.1. 设备编号的内部表示

在内核中, dev_t 类型(在 <linux/types.h>中定义)用来持有设备编号 -- 主次部分都包括. 对于 2.6.0 内核, dev_t 是 32 位的量, 12 位用作主编号, 20 位用作次编号. 你的代码应当, 当然, 对于设备编号的内部组织从不做任何假设; 相反, 应当利用在 <linux/kdev_t.h>中的一套宏定义. 为获得一个 dev_t 的主或者次编号, 使用:

MAJOR(dev_t dev); 
MINOR(dev_t dev);

相反, 如果你有主次编号, 需要将其转换为一个 dev_t, 使用:

MKDEV(int major, int minor); 

注意, 2.6 内核能容纳有大量设备, 而以前的内核版本限制在 255 个主编号和 255 个次编号. 有人认为这么宽的范围在很长时间内是足够的, 但是计算领域被这个特性的错误假设搞乱了. 因此你应当希望 dev_t 的格式将来可能再次改变; 但是, 如果你仔细编写你的驱动, 这些变化不会是一个问题.

3.2.2. 分配和释放设备编号

在建立一个字符驱动时你的驱动需要做的第一件事是获取一个或多个设备编号来使用. 为此目的的必要的函数是 register_chrdev_region, 在 <linux/fs.h>中声明:

int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, char *name);

这里, first 是你要分配的起始设备编号. first 的次编号部分常常是 0, 但是没有要求是那个效果. count 是你请求的连续设备编号的总数. 注意, 如果 count 太大, 你要求的范围可能溢出到下一个次编号; 但是只要你要求的编号范围可用, 一切都仍然会正确工作. 最后, name 是应当连接到这个编号范围的设备的名子; 它会出现在 /proc/devices 和 sysfs 中.

如同大部分内核函数, 如果分配成功进行, register_chrdev_region 的返回值是 0. 出错的情况下, 返回一个负的错误码, 你不能存取请求的区域.

如果你确实事先知道你需要哪个设备编号, register_chrdev_region 工作得好. 然而, 你常常不会知道你的设备使用哪个主编号; 在 Linux 内核开发社团中一直努力使用动态分配设备编号. 内核会乐于动态为你分配一个主编号, 但是你必须使用一个不同的函数来请求这个分配.

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);

使用这个函数, dev 是一个只输出的参数, 它在函数成功完成时持有你的分配范围的第一个数. fisetminor 应当是请求的第一个要用的次编号; 它常常是 0. count 和 name 参数如同给 request_chrdev_region 的一样.

不管你任何分配你的设备编号, 你应当在不再使用它们时释放它. 设备编号的释放使用:

void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count); 

调用 unregister_chrdev_region 的地方常常是你的模块的 cleanup 函数.

上面的函数分配设备编号给你的驱动使用, 但是它们不告诉内核你实际上会对这些编号做什么. 在用户空间程序能够存取这些设备号中一个之前, 你的驱动需要连接它们到它的实现设备操作的内部函数上. 我们将描述如何简短完成这个连接, 但首先顾及一些必要的枝节问题.

3.2.3. 主编号的动态分配

一些主设备编号是静态分派给最普通的设备的. 一个这些设备的列表在内核源码树的 Documentation/devices.txt 中. 分配给你的新驱动使用一个已经分配的静态编号的机会很小, 但是, 并且新编号没在分配. 因此, 作为一个驱动编写者, 你有一个选择: 你可以简单地捡一个看来没有用的编号, 或者你以动态方式分配主编号. 只要你是你的驱动的唯一用户就可以捡一个编号用; 一旦你的驱动更广泛的被使用了, 一个随机捡来的主编号将导致冲突和麻烦.

因此, 对于新驱动, 我们强烈建议你使用动态分配来获取你的主设备编号, 而不是随机选取一个当前空闲的编号. 换句话说, 你的驱动应当几乎肯定地使用 alloc_chrdev_region, 不是 register_chrdev_region.

动态分配的缺点是你无法提前创建设备节点, 因为分配给你的模块的主编号会变化. 对于驱动的正常使用, 这不是问题, 因为一旦编号分配了, 你可从 /proc/devices 中读取它.[6]

为使用动态主编号来加载一个驱动, 因此, 可使用一个简单的脚本来代替调用 insmod, 在调用 insmod 后, 读取 /proc/devices 来创建特殊文件.

一个典型的 /proc/devices 文件看来如下:

Character devices:
 1 mem
 2 pty
 3 ttyp
 4 ttyS
 6 lp
 7 vcs
 10 misc
 13 input
 14 sound 
 21 sg
 180 usb

Block devices:
 2 fd
 8 sd
 11 sr
 65 sd
 66 sd 

因此加载一个已经安排了一个动态编号的模块的脚本, 可以使用一个工具来编写, 如 awk , 来从 /proc/devices 获取信息以创建 /dev 中的文件.

下面的脚本, snull_load, 是 scull 发布的一部分. 以模块发布的驱动的用户可以从系统的 rc.local 文件中调用这样一个脚本, 或者在需要模块时手工调用它.

#!/bin/sh
module="scull"
device="scull"
mode="664"

# invoke insmod with all arguments we got
# and use a pathname, as newer modutils don't look in . by default
/sbin/insmod ./$module.ko $* || exit 1

# remove stale nodes
rm -f /dev/${device}[0-3]

major=$(awk "\\$2==\"$module\" {print \\$1}" /proc/devices) 
mknod /dev/${device}0 c $major 0
mknod /dev/${device}1 c $major 1
mknod /dev/${device}2 c $major 2
mknod /dev/${device}3 c $major 3

# give appropriate group/permissions, and change the group.
# Not all distributions have staff, some have "wheel" instead.
group="staff"
grep -q '^staff:' /etc/group || group="wheel"

chgrp $group /dev/${device}[0-3]
chmod $mode /dev/${device}[0-3]

这个脚本可以通过重定义变量和调整 mknod 行来适用于另外的驱动. 这个脚本仅仅展示了创建 4 个设备, 因为 4 是 scull 源码中缺省的.

脚本的最后几行可能有些模糊:为什么改变设备的组和模式? 理由是这个脚本必须由超级用户运行, 因此新建的特殊文件由 root 拥有. 许可位缺省的是只有 root 有写权限, 而任何人可以读. 通常, 一个设备节点需要一个不同的存取策略, 因此在某些方面别人的存取权限必须改变. 我们的脚本缺省是给一个用户组存取, 但是你的需求可能不同. 在第 6 章的"设备文件的存取控制"一节中, sculluid 的代码演示了驱动如何能够强制它自己的对设备存取的授权.

还有一个 scull_unload 脚本来清理 /dev 目录并去除模块.

作为对使用一对脚本来加载和卸载的另外选择, 你可以编写一个 init 脚本, 准备好放在你的发布使用这些脚本的目录中. [7]作为 scull 源码的一部分, 我们提供了一个相当完整和可配置的 init 脚本例子, 称为 scull.init; 它接受传统的参数 -- start, stop, 和 restart -- 并且完成 scull_load 和 scull_unload 的角色.

如果反复创建和销毁 /dev 节点, 听来过分了, 有一个有用的办法. 如果你在加载和卸载单个驱动, 你可以在你第一次使用你的脚本创建特殊文件之后, 只使用 rmmod 和 insmod: 这样动态编号不是随机的. [8]并且你每次都可以使用所选的同一个编号, 如果你不加载任何别的动态模块. 在开发中避免长脚本是有用的. 但是这个技巧, 显然不能扩展到一次多于一个驱动.

安排主编号最好的方式, 我们认为, 是缺省使用动态分配, 而留给自己在加载时指定主编号的选项权, 或者甚至在编译时. scull 实现以这种方式工作; 它使用一个全局变量, scull_major, 来持有选定的编号(还有一个 scull_minor 给次编号). 这个变量初始化为 SCULL_MAJOR, 定义在 scull.h. 发布的源码中的 SCULL_MAJOR 的缺省值是 0, 意思是"使用动态分配". 用户可以接受缺省值或者选择一个特殊主编号, 或者在编译前修改宏定义或者在 insmod 命令行指定一个值给 scull_major. 最后, 通过使用 scull_load 脚本, 用户可以在 scull_load 的命令行传递参数给 insmod.[9]

这是我们用在 scull 的源码中获取主编号的代码:

if (scull_major) {
 dev = MKDEV(scull_major, scull_minor);
 result = register_chrdev_region(dev, scull_nr_devs, "scull");
} else {
 result = alloc_chrdev_region(&dev, scull_minor, scull_nr_devs, "scull");
 scull_major = MAJOR(dev);
}
if (result < 0) {
 printk(KERN_WARNING "scull: can't get major %d\n", scull_major);
 return result;
}

本书使用的几乎所有例子驱动使用类似的代码来分配它们的主编号.

[6] 从 sysfs 中能获取更好的设备信息, 在基于 2.6 的系统通常加载于 /sys. 但是使 scull 通过 sysfs 输出信息超出了本章的范围; 我们在 14 章中回到这个主题.

[7] Linux Standard Base 指出 init 脚本应当放在 /etc/init.d, 但是一些发布仍然放在别处. 另外, 如果你的脚本在启动时运行, 你需要从合适的运行级别目录做一个连接给它(也就是, .../rc3.d).

[8] 尽管某些内核开发者已警告说将来就会这样做.

[9] init 脚本 scull.init 不在命令行中接受驱动选项, 但是它支持一个配置文件, 因为它被设计来在启动和关机时自动使用.