Linux字符設備驅(qū)動開發(fā)模板中介紹了舊版本的驅(qū)動開發(fā)模板，其需要手動分配設備號后，再進行注冊，驅(qū)動加載成功后還需要手動創(chuàng)建設備節(jié)點，比較麻煩。 目前Linux內(nèi)核推薦的新字符設備驅(qū)動API函數(shù)，可以自動分配設備號、創(chuàng)建設備節(jié)點，使得驅(qū)動的使用更加方便

1. 新字符設備驅(qū)動原理

1.1 分配和釋放設備號

舊字符設備驅(qū)動開發(fā)中使用register_chrdev函數(shù)注冊字符設備時，需要事先確定好主設備號，并且注冊成功后，會將該設備號下的所有次設備號都使用掉

而新字符設備驅(qū)動API函數(shù)很好的解決了這個問題，使用設備號時再向內(nèi)核申請，需要幾個就申請幾個，由內(nèi)核分配設備可以使用的設備號

設備號申請函數(shù)：沒有指定設備號

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name) 
//dev：保存申請到的設備號
//baseminor：次設備號起始地址，一般為0
//count：要申請的設備號數(shù)量
//name：設備名字

設備號申請函數(shù)：指定了主次設備號

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name) 
//from：要申請的起始設備號
//count：要申請的設備號數(shù)量
//name：設備名字

設備號釋放函數(shù)：統(tǒng)一使用下面函數(shù)釋放

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count) 
//from：要釋放的設備號
//count：表示從from開始，要釋放的設備號數(shù)量

因此新字符設備驅(qū)動中，設備號分配代碼通常按如下示例編寫：

int major;     /* 主設備號 */
int minor;     /* 次設備號 */
dev_t devid;   /* 設備號 */

if (major) {   /* 定義了主設備號 */
    devid = MKDEV(major, 0);    /*大部分驅(qū)動次設備號都選擇0*/
    register_chrdev_region(devid, 1, "test");
} else {      /* 沒有定義設備號 */
    alloc_chrdev_region(&devid, 0, 1, "test"); /*申請設備號*/
    major = MAJOR(devid);       /* 獲取分配號的主設備號 */
    minor = MINOR(devid);       /* 獲取分配號的次設備號 */
}

1.2 注冊字符設備

Linux中使用cdev表示字符設備，在include/linux/cdev.h中定義：

struct cdev {
    struct kobject kobj;
    struct module *owner;
    const struct file_operations *ops; //文件操作函數(shù)集合
    struct list_head list;
    dev_t dev;  //設備號
    unsigned int count;
};
//編寫字符設備驅(qū)動之前需要定義一個cdev結(jié)構(gòu)體變量

cdev_init函數(shù)：定義好cdev變量后，用該函數(shù)進行初始化

cdev_add函數(shù)：向系統(tǒng)添加字符設備(cdev結(jié)構(gòu)體變量)

struct cdev testcdev;
/* 設備操作函數(shù) */
static struct file_operations test_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    /* 其他具體的初始項 */
};

testcdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&testcdev, &test_fops);  /* 初始化cdev結(jié)構(gòu)體變量 */
cdev_add(&testcdev, devid, 1);     /* 添加字符設備 */

cdev_del函數(shù)：卸載驅(qū)動時從內(nèi)核中刪除相應的字符設備

void cdev_del(struct cdev *p)
//p：要刪除的字符設備

1.3 自動創(chuàng)建設備節(jié)點

舊字符設備驅(qū)動開發(fā)中，驅(qū)動程序加載成功后還需要使用mknod命令手動創(chuàng)建設備節(jié)點，十分麻煩。

而新字符設備驅(qū)動開發(fā)中，Linux通過udev用戶程序來實現(xiàn)設備文件的自動創(chuàng)建與刪除。 udev會檢測系統(tǒng)中硬件設備狀態(tài)，并根據(jù)硬件設備狀態(tài)來創(chuàng)建或者刪除設備文件。

使用busybox構(gòu)建根文件系統(tǒng)時，busybox會創(chuàng)建一個udev的簡化版本mdev。 因此，在嵌入式開發(fā)中使用mdev來實現(xiàn)設備節(jié)點文件的自動創(chuàng)建與刪除。 Linux系統(tǒng)中的熱插拔事件也由mdev管理，在/etc/init.d/rcS文件中有如下語句：

echo /sbin/mdev > /proc/sys/kernel/hotplug

創(chuàng)建類：自動創(chuàng)建設備節(jié)點的工作是在驅(qū)動程序入口函數(shù)中完成的，一般在cdev_add之后添加相關代碼

struct class *class_create (struct module *owner, const char *name)
//owner 一般為 THIS_MODULE
//name 是類名字
//返回值是個指向結(jié)構(gòu)體class的指針，也就是創(chuàng)建的類

刪除類：卸載驅(qū)動程序時需要刪除類

void class_destroy(struct class *cls)
//cls 就是要刪除的類

創(chuàng)建設備：類創(chuàng)建好后還不能實現(xiàn)自動創(chuàng)建設備節(jié)點，還需要在該類下創(chuàng)建一個設備

struct device *device_create(struct class *class, 
                             struct device *parent, 
                             dev_t devt,   
                             void *drvdata,   
                             const char *fmt, ...) 
//class 設備創(chuàng)建在哪個類下
//parent 父設備，一般為NULL
//devt 設備號
//drvdata 設備可能會使用的數(shù)據(jù)，一般NULL
//fmt 設備名字
//返回值是創(chuàng)建好的設備

刪除設備：卸載驅(qū)動時需要刪除創(chuàng)建的設備

void device_destroy(struct class *class, dev_t devt)
//class 是要刪除的設備所處的類
//devt 是要刪除的設備號

1.4 設置文件私有數(shù)據(jù)

每個硬件設備都有一些屬性，比如主設備號、類、設備、開關狀態(tài)等等，在編寫驅(qū)動時可將這些屬性封裝成一個結(jié)構(gòu)體。 并在編寫驅(qū)動open函數(shù)時將設備結(jié)構(gòu)體作為私有數(shù)據(jù)添加到設備文件中：

/*設備結(jié)構(gòu)體*/ 
struct test_dev{ 
    dev_t         devid;     /*設備號*/ 
    struct cdev   cdev;      /*cdev*/ 
    struct class  *class;    /*類*/ 
    struct device *device;   /*設備*/ 
    int           major;     /*主設備號*/ 
    int           minor;     /*次設備號*/ 
}; 

struct test_dev testdev; 
/*open函數(shù)*/ 
static int test_open(struct inode *inode, struct file *filp) 
{ 
    filp->private_data = &testdev; /*設置私有數(shù)據(jù)*/ 
    return 0; 
}

綜上所述，新字符設備驅(qū)動開發(fā)流程如下圖所示：

2. 新字符設備驅(qū)動開發(fā)實驗

新字符設備驅(qū)動開發(fā)實驗是在Linux字符設備驅(qū)動開發(fā)模板一文的基礎上進行修改，只更改了驅(qū)動的編寫方式，與應用程序無關，因此只修改驅(qū)動程序即可

2.1 驅(qū)動程序編寫

添加定義：宏及字符設備定義

#define CHRDEVBASE_CNT   1            //設備號個數(shù)
#define CHRDEVBASE_NAME  "chrdevbase" //名字
/*newchr設備結(jié)構(gòu)體 */
struct newchr_dev{
    dev_t devid;             //設備號
    struct cdev cdev;        //cdev 
    struct class *class;     //類   
    struct device *device;   //設備 
    int major;               //主設備號
    int minor;               //次設備號
};

struct newchr_dev chrdevbase; //自定義字符設備

修改open函數(shù)：設置私有數(shù)據(jù)

static int chrdevbase_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    printk("chrdevbase open!\\r\\n");
    filp->private_data = &chrdevbase; //設置私有數(shù)據(jù)
    return 0;
}

修改init函數(shù)

static int __init chrdevbase_init(void)
{
    /* 注冊字符設備驅(qū)動 */
    //1、創(chuàng)建設備號
    if (chrdevbase.major) /* 定義了設備號 */
    {
        chrdevbase.devid = MKDEV(chrdevbase.major, 0);
        register_chrdev_region(chrdevbase.devid, CHRDEVBASE_CNT, CHRDEVBASE_NAME);
    } 
    else /* 沒有定義設備號 */
    {
        alloc_chrdev_region(&chrdevbase.devid, 0, CHRDEVBASE_CNT, CHRDEVBASE_NAME); /* 申請設備號 */
        chrdevbase.major = MAJOR(chrdevbase.devid); /* 獲取分配號的主設備號 */
        chrdevbase.minor = MINOR(chrdevbase.devid); /* 獲取分配號的次設備號 */
    }
    printk("chrdevbase major=%d,minor=%d\\r\\n",chrdevbase.major, chrdevbase.minor);  
    //2、初始化cdev
    chrdevbase.cdev.owner = THIS_MODULE;
    cdev_init(&chrdevbase.cdev, &chrdevbase_fops); 
    //3、添加一個cdev
    cdev_add(&chrdevbase.cdev, chrdevbase.devid, CHRDEVBASE_CNT);
    //4、創(chuàng)建類
    chrdevbase.class = class_create(THIS_MODULE, CHRDEVBASE_NAME);
    if (IS_ERR(chrdevbase.class)) 
    {
     return PTR_ERR(chrdevbase.class);
     }
    //5、創(chuàng)建設備
    chrdevbase.device = device_create(chrdevbase.class, NULL, chrdevbase.devid, NULL, CHRDEVBASE_NAME);
    if (IS_ERR(chrdevbase.device)) 
    {
        return PTR_ERR(chrdevbase.device);
    }
    
    printk("chrdevbase init done!\\r\\n");
    return 0;
}

修改exit函數(shù)

static void __exit chrdevbase_exit(void)
{
    /* 注銷字符設備驅(qū)動 */
    cdev_del(&chrdevbase.cdev);/*  刪除cdev */
    unregister_chrdev_region(chrdevbase.devid, CHRDEVBASE_CNT); /* 注銷設備號 */

    device_destroy(chrdevbase.class, chrdevbase.devid);
    class_destroy(chrdevbase.class);
    
    printk("chrdevbase exit done!\\r\\n");
}

2.2 程序編譯

程序編譯包括驅(qū)動程序和應用程序編譯兩個部分：

驅(qū)動程序編譯：創(chuàng)建Makefile文件，使用make命令，編譯驅(qū)動程序

KERNELDIR := /home/andyxi/linux/kernel/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_andyxi
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := newchrdev.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

應用程序編譯：無需內(nèi)核參與，直接編譯即可

arm-linux-gnueabihf-gcc newchrdevApp.c -o newchrdevApp

2.3 運行測試

為了方便，選擇通過TFTP從網(wǎng)絡啟動，并使用NFS掛載網(wǎng)絡根文件系統(tǒng)。 確保開發(fā)板能正常啟動，在Ubuntu中將驅(qū)動和測試文件復制到modules/4.1.15目錄中

在開發(fā)板中輸入如下指令加載驅(qū)動模塊

depmod                    //第一次加載驅(qū)動的時候需要運行此命令
modprobe newchrdev.ko     //加載驅(qū)動

驅(qū)動加載成功后，可以看到自動申請到的主設備號和次設備號

使用ls /dev/chrdevbase -l命令驗證該設備節(jié)點文件是否存在，而舊驅(qū)動方式需要額外使用mknod指令來手動創(chuàng)建該設備節(jié)點文件

驅(qū)動加載成功后，測試APP程序，如下

測試完使用rmmod指令卸載驅(qū)動

以上可見Linux新字符設備驅(qū)動開發(fā)方式可以自動分配設備號、創(chuàng)建設備節(jié)點，使得驅(qū)動的使用更加方便、便捷。