Linux内核是怎样设计字符设备的？

linux哲学是一切皆文件，所以把字符设备抽象成文件。

当调用open()函数时，会返回一个文件描述符。先会在文件系统中打开文件并找到指定文件的操作接口（句柄），绑定到进程task_struct->file_struct->fd_array[]->file_operations。

思路：把底层寄存器配置操作放在文件操作接口里，新建一个文件绑定该文件操作接口，应用程序通过操作指定文件来设置底层寄存器。

硬件层原理

基本接口实现：查原理图，数据手册，确定底层需要配置的寄存器。类似于裸机开发。实现一个文件的底层操作接口，这是文件的基本特征。

struct file_operations存放在ebf-buster-linux/include/linux/fs.h

驱动层原理

把file_operations文件操作接口注册到内核，内核通过主次设备号来记录它。

构造驱动基本对象：struct cdev，里面记录具体的file_operations。cdev_init()。

两个hash表：

chrdevs：登记设备号。__register_chrdev_region()。

cdev_dev->probe:保存驱动基本对象struct cdev。cdev_add()。

文件系统层原理

mknod指令+主从设备号

构建一个新的设备文件，通过主次设备号在cdev_map中找到cdev->file_operations，把cdev->file_operations绑定到新的设备文件中。

到这一步，应用程序就可以使用open()、write()、read()等函数来控制设备文件了。

设备号的组成与哈希表

ebf-buster-linux/include/linux/kdev_t.h描述了设备号的具体构成。

#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))

理论取值范围：

主设备号：2^12=4K

次设备号：2^20=1M

已注册的设备号可以使用cat /proc/devices查看

内核是希望一个设备驱动（file_operation）可以独占占有一个主设备号和多个次设备号，而通常一个设备文件绑定一个主设备号和一个次设备号，所有设备驱动与设备文件是一对一或者一对多的关系。

hash table（哈希表、散列表）

数组的优缺点：查找快，增删元素效率低，容量固定。

链表的优缺点：查找慢，增删元素效率高，容量不限。

哈希表：数组+链表。

以主设备号为编号，使用哈希函数f（major）=major%255来计算数组下标。

主设备号冲突（如0、255），则以次设备号为比较值来排序链表节点。

哈希函数的设计目标：链表节点尽量平均分布在各个数组元素中，提高查询效率。