linux设备管理之主设备号与次设备号

前言：     本文经过一定的修正，有一些更改，通过本文你可以很清晰的理解设备唯一性是怎么确定的，同时也能理解     /proc/devices和 /dev 的关系，即主从关系，是一对多的关系。     什么是主设备号和次设备号?

  一个字符设备或者块设备都会有一个主设备号和次设备号(主设备号对应的就是某种驱动程序)。主设备号和次设备号统称为设备号。主设备号用来表示一个特定的驱动程序。次设备号用来表示使用该驱动程序的其他设备。（主设备号和控制这类设备的驱动是一一对应的）通俗的说就是主设备号标识设备对应的驱动程序，告诉Linux内核使用哪一个驱动程序为该设备(也就是/dev下的设备文件)服务；而次设备号则用来标识具体且唯一的某个设备. /proc/devices类似一个类别，而/dev/下是某个类别下的项，由他们两个最终确定了一对多关系。   以磁盘为例：   在同一个系统中，磁盘设备的主设备号是唯一的。比如：scsi设备，次设备号只是在提供给scsi驱动程序内部使用，系统内核直接把次设备号传递给应用程序，scsi设备由驱动程序管理，我们可能有多个scsi设备，每个scsi设备都会分配一个次设备号。为了保证驱动程序的通用性，避免驱动程序移植过程中出现主设备号冲突,linux系统设定了主设备号的规则，包括保留的主设备号。   主设备号用来区分不同种类的设备，而次设备号用来区分同一类型的多个设备。对于常用设备，Linux有约定俗成的编号。    如果你的系统内核是3.10，可以到 /usr/src/linux/include/linux/major.h 查看设备号的定义，但不是当前配置的设备号    查看当前设备的设备号需查看 /proc/devices   注： 主设备号和次设备号，在不同磁盘的工具中都有输出显示，所以对于这个概念的理解还是很重要，否则你看不懂很多命令的输出。  尤其是 cat /proc/devices 输出的意义等。

  设备的分类(区别于设备种类，种类是磁盘、内存等)

　以 Linux 的方式看待设备可区分为 3 种基本设备类型。 每个设备常常实现 3 种类型中的 1 种, 因此可分类成字符设备, 块设备, 或者一个网络设备。　这种将设备分成不同类型或类别的方法并非是固定不变的。

　一个字符( char ) 设备是一种可以当作一个字节流来存取的设备( 如同一个文件 ); 字符驱动模块负责实现这种行为。　这样的驱动模块至少实现 open, close, read, 和 write 系统调用。文本控制台( /dev/console )和串口( /dev/ttyS0 及其他 )是字符设备的例子, 因为它们很好地展现了流的抽象。　字符设备通过文件系统结点来存取, 例如 /dev/tty1 和 /dev/lp0。

　如同字符设备, 块设备通过位于 /dev 目录的文件系统结点来存取. 一个块设备(例如一个磁盘)应该是可以驻有一个文件系统的。　在大部分的 Unix 系统, 一个块设备只能处理特定的 I/O 操作, 即传送一个或多个长度经常是 512 字节( 或一个更大的 2 的幂的数 )的整块。　Linux, 相反, 允许应用程序读写一个块设备象一个字符设备一样；它允许一次传送任意数目的字节。 　结果就是, 块和字符设备的区别仅仅在内核内部管理数据的方式上, 和在内核/驱动的软件接口上不同。　如同一个字符设备, 每个块设备都通过一个文件系统结点被存取的, 它们之间的区别对用户是透明的。 块驱动和字符驱动相比, 与内核的接口完全不同。

　任何网络事务都通过一个接口来进行, 就是说, 一个能够与其他主机交换数据的设备。　通常, 一个接口是一个硬件设备, 但是它也可能是一个纯粹的软件设备, 比如回环接口(lo)。一个网络接口负责发送和接收数据报文, 在内核网络子系统的驱动下, 　不必知道单个事务是如何映射到实际的被发送的报文上的。很多网络连接( 特别那些使用 TCP 的)是面向流的, 但是网络设备却常常设计成处理报文的发送和接收。　网络驱动对单个连接一无所知; 它只处理报文。

一、 查找主设备号位置文件 (内核创建)      /proc/devices 文件显示当前配置的各种字符和块设备（不包括未加载模块的设备）

[root@fp-web-130 src]# cat /proc/devices//显示结果

Character devices:  //字符设备 1 mem 4 /dev/vc/0 4 tty 4 ttyS 5 /dev/tty 5 /dev/console 5 /dev/ptmx 7 vcs 10 misc 13 input 21 sg 29 fb 99 ppdev128 ptm136 pts162 raw180 usb188 ttyUSB189 usb_device202 cpu/msr203 cpu/cpuid226 drm249 hidraw250 usbmon251 bsg252 watchdog253 rtc 254 tpm

Block devices:  //块设备259 blkext 7 loop   //回环设备 8 sd     //scsi设备 9 md 11 sr    //只读光驱 65 sd   66 sd 67 sd 68 sd 69 sd 70 sd 71 sd128 sd  vcsa129 sd  vcsa1130 sd  vcsa2131 sd  vcsa3132 sd  vcsa4133 sd  vcsa5134 sd  vcsa6135 sd说明： sd,md,loop等就是设备名      参看: https://github.com/torvalds/linux/blob/master/Documentation/admin-guide/devices.txt实例：lsblk 命令可以查看块设备的主设备号和次设备号

解释：loop0 的主设备号是 7:0 7表示的主设备号,0是系统为loop0回环设备编了号.这个主从就表示了唯一性([root@fp-web-130 src]# cat /proc/devices 得到的回环设备loop是7)loop1 的主设备号是 7:1 7表示的主设备号,1是系统为loop1回环设备编了号.

基本上如果主设备号和次设备号明白了，那么lsblk这个命令的基本输出结果理解上就没有难度了

为了使应用程序区分所控制设备的类型，内核使用主设备号。而存在多台同类设备时，为了选择其中的一种，设备驱动程序就使用次设备号举例: 这里sd是8（cat /proc/devices查的），看到有一列是8,16 这里8就是主设备号、16就是次设备号 

有三个目录说下 /dev/* , /proc/devices, /sys/devices

 lsmod用于显示已载入系统的模块信息和模块间的依赖关系(sd举例)

内核已加载的模块信息也存在与/sys/modules目录下[root@ht8 include]# cd /sys/module/sd_mod/ [root@ht8 sd_mod]# ll //该模块参数 total 0 -r--r--r-- 1 root root 4096 Mar 26 19:11 coresize drwxr-xr-x 2 root root 0 Jan 5 19:39 holders -r--r--r-- 1 root root 4096 Mar 26 19:11 initsize -r--r--r-- 1 root root 4096 Mar 26 19:11 initstate drwxr-xr-x 2 root root 0 Mar 26 19:10 notes -r--r--r-- 1 root root 4096 Mar 26 19:11 refcnt -r--r--r-- 1 root root 4096 Mar 26 19:11 rhelversion drwxr-xr-x 2 root root 0 Mar 26 19:10 sections -r--r--r-- 1 root root 4096 Mar 26 19:11 srcversion -r--r--r-- 1 root root 4096 Mar 26 19:11 taint --w------- 1 root root 4096 Mar 26 19:11 uevent

二、linux 次设备号查看，我只留下一部分来说明问题

[root@fp-web-130 src]# ls -l /devtotal 0.....brw-rw---- 1 root disk 7, 0 Feb 7 14:58 loop0brw-rw---- 1 root disk 7, 1 Feb 7 14:58 loop1brw-rw---- 1 root disk 7, 2 Feb 9 11:21 loop2....brw-rw---- 1 root disk 8, 0 May 27 2021 sdabrw-rw---- 1 root disk 8, 1 May 27 2021 sda1brw-rw---- 1 root disk 8, 2 May 27 2021 sda2brw-rw---- 1 root disk 8, 16 Feb 5 01:02 sdbbrw-rw---- 1 root disk 8, 17 Feb 5 01:02 sdb1brw-rw---- 1 root disk 8, 18 Feb 5 01:02 sdb2brw-rw---- 1 root disk 8, 21 Feb 5 01:04 sdb5crw-rw-rw-  1 root tty 5,   0 Apr 27  2022 tty.....我们看到用,号分割的两个数字,比如 sda是 8,0 这个两个数字就是特定设备的主设备号和次设备号sda设备主设备号在/proc/devices定义为8,次设备号为0，所以主设备号和次设备号确定了唯一的设备更详细的你可以下载源码: E:\linux内核\linux-3.12.37\linux-3.12.37\Documentation\devices.txt 来查看那么具体主设备号和次设备号为什么这么设计了呢,简单描述就是1)主设备号是关联驱动程序的，比如 scsi硬盘的驱动，那么就是8来管理，一个主备号关联多个次设备号2)次设备号仅供主设备号指定的驱动程序（底层硬件接口）使用,这里就是8不能提供给例如cpu等设备使用。  内核的其他部分不使用它，只是将它传递给主设备号对应的驱动程序。另外:brw标识块设备，crw标识为字符设备。

         我们下面用简单表格更能阐述上面说的内容: 

                                                           图来来自这里 

    Linux的设备管理是和文件系统紧密结合的，各种设备都以文件的形式存放在/dev目录下，称为设备文件。应用程序可以打开、关闭和读写这些设备文件，完成对设备的操作，就像操作普通的数据文件一样。为了管理这些设备，系统为设备编了号，每个设备号又分为主设备号和次设备号。主设备号用来区分不同种类的设备，而次设备号用来区分同一类型的多个设备。对于常用设备，Linux有约定俗成的编号，如硬盘的主设备号是3。 一个字符设备或者块设备都有一个主设备号和次设备号。主设备号和次设备号统称为设备号。主设备号用来表示一个特定的驱动程序。次设备号用来表示使用该驱动程序的各设备。 

    Linux为所有的设备文件都提供了统一的操作函数接口，方法是使用数据结构struct file_operations。这个数据结构中包括许多操作函数的指针，如open()、close()、read()和write()等，但由于外设 的种类较多，操作方式各不相同。Struct file_operations结构体中的成员为一系列的接口函数，如用于读/写的read/write函数和用于控制的ioctl等。打开一个文件就是 调用这个文件file_operations中的open操作。不同类型的文l件有不同的file_operations成员函数，如普通的磁盘数据文件， 接口函数完成磁盘数据块读写操作；而对于各种设备文件，则最终调用各自驱动程序中的I/O函数进行具体设备的操作。这样，应用程序根本不必考虑操作的是设 备还是普通文件，可一律当作文件处理，具有非常清晰统一的I/O接口。所以file_operations是文件层次的I/O接口。

  内核中如何标识设备号

　 设备号是在驱动module中分配并注册的，而/dev目录下的设备文件是根据这个设备号创建的，因此，当访问/dev目录下的设备文件时，驱动module就知道，自己该出场服务了(当然是由内核通知)。在Linux内核看来，主设备号标识设备对应的驱动程序，告诉Linux内核使用哪一个驱动程序为该设备(也就是/dev下的设备文件)服务；而次设备号则用来标识具体且唯一的某个设备。在内核中，用dev_t类型(其实就是一个32位的无符号整数)的变量来保存设备的主次设备号，其中高12位表示主设备号，低20位表示次设备号。

设备获得主次设备号有两种方式：一种是手动给定一个32位数，并将它与设备联系起来(即用某个函数注册)；另一种是调用系统函数给设备动态分配一个主次设备号。

     对于手动给定一个主次设备号，使用以下函数：     int register_chrdev_region(dev_t first,      unsigned int -count,      char *name)     其中first是我们手动给定的设备号，count是所请求的连续设备号的个数，而name是和该设备号范围关联的设备名称，它将出现在/proc/devices和sysfs中。比如，若first为0x3FFFF0，count为0x5，那么该函数就会为5个设备注册设备号，分别是0x3FFFF0、 0x3FFFF1、 0x3FFFF2、 0x3FFFF3、 0x3FFFF4，其中0x3(高12位)为这5个设备所共有的主设备号(也就是说这5个设备都使用同一个驱动程序)。而0xFFFF0、 0xFFFF1、 0xFFFF2、 0xFFFF3、 0xFFFF4就分别是这5个设备的次设备号了。需要注意的是，若count的值太大了，那么所请求的设备号范围可能会和下一个主设备号重叠。比如若 first还是为0x3FFFF0，而count为0x11，那么first+count=0x400001，也就是说为最后两个设备分配的主设备号已经不是0x3，而是0x4了！用这种方法注册设备号有一个缺点，那就是若该驱动module被其他人广泛使用，那么无法保证注册的设备号是其他人的 Linux系统中未分配使用的设备号。

 与主次设备号相关的3个宏：

MAJOR(dev_t dev)：根据设备号dev获得主设备号；MINOR(dev_t dev)：根据设备号dev获得次设备号；MKDEV(int major, int minor)：根据主设备号major和次设备号minor构建设备号 

   从Linux2.6内核版本开始，/proc文件系统迁移至改进后的/sys文件系统。/sys文件系统中加入对动态变更的支持，如添加和删除LUN，而无需重新加载主机适配器驱动或重启主机。六、一些主要设备号被静态分配给最常见的设备。     Documentation/devices.txt （参见内核源码）这些设备的列表可以在内核源代码树中找到 。由于已经分配了许多编号，因此为新驱动程序选择一个唯一编号可能很困难 七、开发底层驱动程序     开发内核驱动程序的时候，你最好使用动态分配的方式获取您的主设备号，而不是从当前可用的主设备号中随机选择一个。如果您的驱动程序希望被官方内核自动分配，则你需要申请分配一个主设备编号以供独占使用。当然如果你是为了测试你完全可以使用保留的主设备号，一旦你在开发时被分配到了主设备号，则在/proc/devices文件中会看到，这样你就可以创建唯一设备在/dev目录下。     你需要关注:     E:\linux内核\linux-3.12.37\linux-3.12.37\Documentation\devices.txt     系统里面的 /usr/include/linux/major.h     当前系统的/proc/devices /dev     

sysfs 虚拟文件系统提供了一种比 proc(老的机制) 更为理想的访问内核数据的途径。sysfs 文件系统总是被挂载在 /sys 挂载点上。

sysfs 与 proc 相比有很多优点，最重要的莫过于设计上的清晰。一个 proc 虚拟文件可能有内部格式，如 /proc/scsi/scsi ，它是可读可写的，并且读写格式不一样，代表不同的操作，应用程序中读到了这个文件的内容一般还需要进行字符串解析，而在写入时需要先用字符串格式化按指定的格式写入字符串进行操作。相比而言.

参考资料:   https://www.oreilly.com/library/view/linux-device-drivers/0596000081/ch03s02.html  https://distroid.net/mknod-command-linux/  http://www.cs.columbia.edu/~sedwards/classes/2023/4840-spring/device-drivers.pdf  https://static.lwn.net/images/pdf/LDD3/ch16.pdf