思维导图
需求
实现一个设备/dev/scull，这个设备能用dd, cp, cat和Shell的IO重定向功能操作。
设备号
Linux用主次两个设备号去唯一的表示一个设备。其中主设备号表示一类驱动，而次设备号用来给具体的设备编号。内核可以通过此设备号得到一个设备指针
除了主次设备号，内核也使用专门的dev_t类型去给设备编号，dev_t是一个32位的整型变量。其中前12位用来表示主设备号，低20位用来表示次设备号。
设备号的转换
主次设备号和devt_t的转换通过以下三个宏实现：
MAJOR(dev_t dev); //从设备编号中提取主设备号
MAJOR(dev_t dev); //从设备编号中提取从设备号
MKDEV(int major, int minor); //根据主从设备号计算出dev_t类型的设备号
主要的数据结构
（1）struct file
struct file {
void * private_data; //驱动程序常用字段，本文使用该字段表示量子集的头指针
loff_t f_pos; //读写文件的位置表示当前进程读写到了文件的那一个部分
atomic_long_t f_count; //结构体被进程引用的次数---引用计数
struct file_operation *f_ops; //表示在该文件上可以执行的操作
};
该结构体表示一个打开的设备或文件，在task_struct中，存在一个打开文件表，表中的每一项都是一个struct file结构体。
（2）struct file_operation
struct file_operation {
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *);
};
该结构体是一个类似OOP中接口的东西，只定义了一系列操作函数的参数和返回值。具体怎么实现有实现他的结构体去决定。
（3）struct inode
struct inode {
struct cdev *i_cdev;
dev_t i_rdev;
};
文件系统中使用inode指向一个文件在磁盘中的位置。但是驱动程序中主要使用的主要是涉及到设备的字段，i_rdev表示设备编号，i_cdev指向一个设备
（4）struct scull_device
struct scull_device {
struct semaphore sem; //同步用信号量
struct cdev; //实现了一个字符设备
struct qset *data; //链表的头指针
int size; //设备存储的数据字节数
int quantum; //量子的大小
int qset; //指针数组的大小
};
scull设备，在用户态抽象成/dev/scull。
（5）struct cdev
struct cdev {
struct kobject *kobj; //指向一个kobject类型
struct module *owner; //表示该设备属于那个厂商
struct file_operations *ops; //留坑
struct list_head list; //链接系统内所有的字符设备
dev_t dev; //设备编号
unsigned int count;
};
字符设备的注册
（1）cdev_alloc
struct cdev * cdev_alloc (void);
cdev_alloc内部会调用kmalloc给设备分配空间
（2）cdev_init
void cdev_init (struct cdev * cdev,
const struct file_operations * fops);
cdev_init主要是用来初始化file_operations结构
（3）cdev_add
int cdev_add (struct cdev * p,
dev_t dev,
unsigned count);
把一个设备添加到系统里，需要注意执行这个操作之后，设备会立即生效，设备可以开始读写。
（4）scull中的设备注册
struct scull_device封装了字符设备，因此scull中的字符设备不需要cdev_alloc去分配空间。同时scull的设备注册放到了模块初始化中完成。主要流程为：
-
cdev_init中使用全局的file_operations结构初始化字符设备
-
调用cdev_add把设备添加到系统
open和release
(1) open
进程使用设备需要申请和释放，而open和release就分别用于实现这两个目的。open函数的签名如下：
int (*open)(struct inode *inode, struct file *filp);
它接受两个参数：inode主要用于从获取字符设备指针，filp是文件指针，前文提到的进程的打开文件表中的就是filp
scull中open流程如下：
- 通过设备指针inode->i_cdev获取struct scull_dev设备指针，并且让filp的private_data字段指向scull_dev设备指针。
- 如果是以只写模式打开设备，还需要调用scull_trim去清空量子集里全部的数据
int(*release)(struct inode *, struct file *)
(2) release
release的主要工作有两个：
a. 释放file指针中的private字段
b. 在最后一次close的时候关闭设备
scull的内存结构
scull设备实际上就是内核内存中一片可读写的区域，这片区域使用链表结构去表示，链表中的每个节点表示一个
独立的读写区域，最小的读写单元称作量子。链表的每个节点称作量子集。
默认情况下，每个量子集存储有1000个量子，每个量子能存储4000字节的数据，一个量子集存储4M数据。
在scull源码中SCULL_QUANTUM表示量子存储的默认字节数，SCULL_QSET表示每个量子集存储的量子个数。
struct scull_qset {
void **data;
struct scull_qset *next;
};
struct scull_device中的data字段表示链表的头指针
[此处缺张图]
scull的读写和清空操作
(1) read
1.获取当前进程分配的设备指针
2.计算量子集存储的总字节数，计算方式是量子大小 * 量子集里量子个数
3.进程访问文件的位置比设备大小要大，说明已经读到了EOF，函数返回0
4.如果本次读操作会越界，则缩小count到文件边界
5.使用f_pos换算当前访问到了哪个量子集—除法，并且换算出占用最后一个量子集多少字节的空间
6.使用scull_follow定位到要读取的量子集
7.如果本次会读取会超过最后一个量子的边界，则缩小count
8.从指定位置开始拷贝count字节的数据，更新失败返回-EFAULT
9.更新f_pos和设置函数返回值
【此处缺张图】
定位要读取的量子集
(2) write
1.计算每个量子集的大小，设置函数默认返回值为ENOMEM
2.计算item, rest
3.计算s_pos,q_pos
4.调用scull_follow定位要写入的原子集的位置
5.如果data或者data[s_pos]为空，则给他们分配内存
6.如果写入count字节会导致量子溢出，则修改count
7.执行拷贝操作，失败返回-EFAULT
8.更新f_pos和返回值
9.如果dev->size小于f_pos，更新dev->size为f_pos
参考
1.LDD3
Original: https://www.cnblogs.com/dennis-wong/p/16221835.html
Author: 成蹊0xc000
Title: LDD3第三章学习笔记
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