手把手带你编写一个规范的字符设备驱动

前言

字符设备驱动开发重点是使用 register_chrdev 函数注册字符设备，当不再使用设备的时候就使用unregister_chrdev 函数注销字符设备。但是这种写法是比较老的版本才会使用的注册方法，我们这次采用一种比较新的方式对设备进行注册。

注册新设备

为什么要用新方式注册

我们都知道使用register_chrdev 注册设备时我们需要首先指定一个主设备号，这样就会有两个弊端：

• 需要我们事先确定好哪些主设备号没有使用；
• 会将一个主设备号下的所有次设备号都使用掉；

为什么使用register_chrdev注册就会将主设备号下所有的次设备号都用掉呢？在理解这个问题之前我们需要首先知道主设备号和次设备号是什么。

• 主设备号：系统用来确定驱动程序（设备类型：如USB设备，硬盘设备）；
• 次设备号：驱动程序用来确定具体的设备；

我们在驱动程序中分配了主设备号，比如现在设置 LED 这个主设备号为
200，那么 0~1048575(2^20-1)这个区间的次设备号就全部都被 LED 一个设备分走了，这样会大大的浪费资源。

解决这两个问题最好的方法就是要使用设备号的时候向 Linux 内核申请，需要几个就申请几个，由 Linux 内核分配设备可以使用的设备号，既包括主设备号，也包括次设备号，这样就可以做到用多少就申请多少，其他未使用到的不会被申请。

申请设备号

使用新的方式申请设备号的时候有两种情况，第一种是设备号已经被指定了，那么我们就需要使用下面的语句申请设备号：

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)

如果我们需要的设备号未被指定，那么我们就可以使用下面的语句进行设备号的分配：

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)

参数 from 是要申请的起始设备号，也就是给定的设备号；参数 count 是要申请的数量，一般都是一个；参数 name 是设备名字。

那么我们如何知道设备号有没有被指定呢？

我们可以在我们的注册函数上套用一个if函数，通过判断设备号major是否为0，来判断设备号是否被分配，具体语句如下所示：

int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */
dev_t devid; /* 设备号 */

if (major) { /* 定义了主设备号 */
	devid = MKDEV(major, 0); /* 大部分驱动次设备号都选择 0 */
	register_chrdev_region(devid, 1, "test");
} else { /* 没有定义设备号 */
	alloc_chrdev_region(&devid, 0, 1, "test"); /* 申请设备号 */
	major = MAJOR(devid); /* 获取分配号的主设备号 */
	minor = MINOR(devid); /* 获取分配号的次设备号 */
}

第 1~3 行：定义了主/次设备号变量 major 和 minor，以及设备号变量 devid；
第 5 行：判断主设备号 major 是否有效；
第 6 行，如果 major 有效的话就使用 MKDEV 来构建设备号，次设备号选择 0；
第 7 行，使用 register_chrdev_region 函数来注册设备号。
第 9~11 行，如果 major 无效，那就表示没有给定设备号。此时就要使用 alloc_chrdev_region函数来申请设备号。设备号申请成功以后使用 MAJOR 和 MINOR 来提取出主设备号和次设备

那么为什么可以使用major来判断设备号是否被分配了呢？

因为在 Linux 驱动中一般给出主设备号的话就表示这个设备的设备号已经确定了，因为次设备号基本上都选择 0，这算个 Linux 驱动开发中约定俗成的一种规定了。

注销设备号

如果要注销设备号的话，使用如下代码即可：

unregister_chrdev_region(devid, 1); /* 注销设备号 */

注册设备

在Linux中我们使用cdev结构体来表示一个字符设备，在cdev结构体中有很多的成员，其中包括如下几个成员：

struct cdev {
	struct kobject kobj;
	struct module *owner;
	const struct file_operations *ops;
	struct list_head list;
	dev_t dev;
	unsigned int count;
}

在 cdev 中有两个重要的成员变量： ops 和 dev，这两个就是字符设备文件操作函数集合file_operations 以及设备号 dev_t。其中file_operations是设备驱动接口，而dev_t是主设备号和次设备号的计算后得到的设备号。

编写字符设备驱动之前需要定义一个 cdev 结构体变量，这个变量就表示一个字符设备，如下所示：

struct cdev led_cdev;

cdev定义在include/linux/cdev.h中，cdev是Linux用来管理字符设备的结构体，其在内核中采用数组结构设计，这样系统中有多少个主设备号就约定了数组大小，此设备号采用链表管理。

同一主设备号下可以有多个子设备。设备即文件，上层应用要访问设备，必须通过文件，cdev中包含file_operations结构体，该结构体就是驱动的文件操作集合。

初始化cdev函数

定义好 cdev 变量以后就要使用 cdev_init 函数对其进行初始化， cdev_init 函数原型如下：

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)

• 参数 cdev 就是要初始化的 cdev 结构体变量；
• 参数 fops 就是字符设备文件操作函数集合；

使用 cdev_init 函数初始化 cdev 变量的示例代码如下：

struct cdev xxxxxcdev;

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations test_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	/* 其他具体的初始项 */
};

testcdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&xxxxxcdev, &xxxxx_fops); /* 初始化 cdev 结构体变量 */

添加字符设备

cdev_add 函数用于向 Linux 系统添加字符设备即cdev 结构体变量，首先使用 cdev_init 函数完成对 cdev 结构体变量的初始化，然后使用 cdev_add 函数向 Linux 系统添加这个字符设备。

cdev_add 函数原型如下：

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)

上面这种注册方式就是新的注册方式，很多的字符驱动设备就是通过这种方式向Linux内核内添加字符设备的。

如果在加上分配设备号的程序，那么就它们一起实现的就是函数 register_chrdev 的功能。虽然注册的过程变得复杂了，但是这种注册方式不会浪费资源。

注册设备小结

通过上面的学习我们已经知道了如何申请设备号、注册设备、添加设备，这种方式是比较新的一种形式，大家可以直接学习新的注册方式，老的有些接口已经被弃用，所以要用就用最新的！

创建设备节点

我们在之前的学习过程中使用的一直都是mknod手动创建设备节点。但是用这种方式创建的节点我们在加载驱动模块后还需要手动创建节点，但是今天的这种方式创建的节点，在我们使用 modprobe 加载驱动模块成功的话就会自动在/dev 目录下创建对应的设备文件。

在 Linux 下通过 udev 来实现设备文件的创建与删除，udev可以检测系统中硬件设备状态，可以根据系统中硬件设备状态来创建或者删除设备文件。

比如使用modprobe 命令成功加载驱动模块以后就自动在/dev 目录下创建对应的设备节点文件,使用rmmod 命令卸载驱动模块以后就删除掉/dev 目录下的设备节点文件。

创建和删除类

自动创建设备节点的工作是在驱动程序的入口函数中完成的，一般在 cdev_add 函数后面添加自动创建设备节点相关代码。首先要创建一个 class 类， class 是个结构体，定义在文件
include/linux/device.h 里面。

class_create 一共有两个参数，参数 owner 一般为 THIS_MODULE，参数 name 是类名字。

返回值是个指向结构体 class 的指针，也就是创建的类。

卸载驱动程序的时候需要删除掉类，类删除函数为 class_destroy，函数原型如下：

void class_destroy(struct class *cls);

参数 cls 就是要删除的类。

创建设备

我们创建好类以后还不能实现自动创建设备节点，我们还需要在这个类下创建一个设备。 使用 device_create 函数在类下面创建设备。

device_create 函数有以下几个参数：

struct device *device_create(struct class *class,
struct device *parent,
dev_t devt,
void *drvdata,
const char *fmt, ...)

device_create 是个可变参数函数：

• 参数 class 就是设备要创建哪个类下面；
• 参数 parent 是父设备，一般为 NULL，也就是没有父设备；* 参数 devt 是设备号；参数 drvdata 是设备可能会使用的一些数据，一般为 NULL；
• 参数 fmt 是设备名字，如果设置 fmt=xxx 的话，就会生成/dev/xxx这个设备文件；
• 返回值就是创建好的设备；

同样的，卸载驱动的时候需要删除掉创建的设备，设备删除函数为 device_destroy。

设置文件私有数据

每个硬件设备都有一些属性，比如主设备号(dev_t)，类(class)、设备(device)、开关状态(state)等等，在编写驱动的时候你可以将这些属性全部写成变量的形式，如下所示：

dev_t devid; /* 设备号 */
struct cdev cdev; /* cdev */
struct class *class; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */

这样写肯定没有问题，但是这样写不专业！

对于一个设备的所有属性信息我们最好将其做成一个结构体。编写驱动 open 函数的时候将设备结构体作为私有数据添加到设备文件中，如下所示：

struct test_dev{
	dev_t devid; /* 设备号 */
	struct cdev cdev; /* cdev */
	struct class *class; /* 类 */
	struct device *device; /* 设备 */
	int major; /* 主设备号 */
	int minor; /* 次设备号 */
};

struct test_dev testdev;

static int test_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	filp->private_data = &testdev; /* 设置私有数据 */
	return 0;
}

在 open 函数里面设置好私有数据以后，在 write、 read、 close 等函数中直接读取 private_data即可得到设备结构体。

结束语

相信经过本篇文章你已经知道了如何通过新的方法去创建类和创建设备，当然你现在可能还无法编出完整的驱动文件，但是没关系，只要你继续往下学习，我相信你不久后就可以独自编出一个设备驱动程序了！