上篇文章介紹了字符設備的開發(fā)模板，但那是一種舊版本的驅(qū)動開發(fā)模式，設備驅(qū)動需要手動分配設備號再使用 register_chrdev進行注冊，加載成功以后還需要手動使用mknod命令創(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)，使得驅(qū)動的使用更加自動化，本篇就來一起研究下。

1 舊字符設備驅(qū)動的弊端

使用register_chrdev函數(shù)注冊字符設備，需要指定一個設備號，這就造成：

需要事先確定好哪些主設備號沒有使用

會將一個主設備號下的所有次設備號都使用掉，比如主設備號為200，那么 0~1048575(2^20-1)這個區(qū)間的次設備號就全部都被占用了

回顧上一篇的操作，先是加載驅(qū)動：

加載完，還有手動使用mknod指令來手動創(chuàng)建該設備節(jié)點，并且指定驅(qū)動程序中寫死的設備號：

本篇，就要使用一種新的字符驅(qū)動編寫方式，實現(xiàn)設備號的自動分配，省去mknod指令操作。

2 新字符設備驅(qū)動原理

2.1 分配和釋放設備號

使用設備號的時候向Linux內(nèi)核申請，需要幾個就申請幾個，由Linux內(nèi)核分配設備可以使用的設備號。

使用如下函數(shù)來申請設備號（該函數(shù)在上篇提到過）：

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

如果給定了設備的主設備號和次設備號就使用如下所示函數(shù)來注冊設備號即可：

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

注銷字符設備之后要釋放設備號，不管是通過alloc_chrdev_region函數(shù)的動態(tài)分配還是register_chrdev_region函數(shù)手動指定的設備號，統(tǒng)一使用(和上篇使用的一樣)的釋放函數(shù)：

/*
* 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
*/
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count) 

新字符設備驅(qū)動下，設備號分配示例代碼如下：

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

/*定義了主設備號*/
if (major)       
{
   devid = MKDEV(major, 0);    /*大部分驅(qū)動次設備號都選擇0*/ 
   register_chrdev_region(devid, 1, "test"); 
} 
/*沒有定義設備號*/ 
else 
{                         
   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*/ 
}

2.2 字符設備注冊

2.2.1 cdev字符設備結構

在Linux中使用cdev結構體表示一個字符設備，其定義在include/linux/cdev.h文件中：

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; 
};

2.2.2 cdev_init 函數(shù)

定義好cdev變量以后就要使用cdev_init函數(shù)對其進行初始化:

/*
* cdev：要初始化的cdev結構體變量
* fops：字符設備文件操作函數(shù)集合
*/
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops) 

該函數(shù)的使用示例如下：

/*要初始化的cdev結構體*/
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;

/* 初始化cdev*/ 
cdev_init(&testcdev, &test_fops); 

2.2.3 cdev_add函數(shù)

該函數(shù)用于向Linux系統(tǒng)添加字符設備，即cdev結構體變量：

/*
* cdev：要初始化的cdev結構體變量
* dev：字符設備所使用的設備號
* count：要添加的設備數(shù)量
*/
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count) 

2.2.4 cdev_del函數(shù)

卸載驅(qū)動的時候要使用cdev_del函數(shù)從Linux內(nèi)核中刪除字符設備:

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

2.3 自動創(chuàng)建設備節(jié)點

上篇的Linux驅(qū)動實驗中，在使用modprobe加載驅(qū)動程序以后還需要使用“mknod”命令手動創(chuàng)建設備節(jié)點，比較麻煩，這里就來研究一下如何實現(xiàn)自動創(chuàng)建設備節(jié)點。

2.3.1 mdev機制

在Linux下通過udev來實現(xiàn)設備文件的自動創(chuàng)建與刪除。使用busybox構建根文件系統(tǒng)的時候，busybox會創(chuàng)建一個udev的簡化版本mdev。

所以，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 文件中如下語句：

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

2.3.2 創(chuàng)建和刪除類

自動創(chuàng)建設備節(jié)點的工作是在驅(qū)動程序的入口函數(shù)中完成的，一般在cdev_add函數(shù)后面添 加自動創(chuàng)建設備節(jié)點相關代碼。

首先要創(chuàng)建一個class類，其實是個結構體，定義在include/linux/device.h里面。class_create是類創(chuàng)建函數(shù)(宏定義):

#define class_create(owner, name) \ 
({ \ 
    static struct lock_class_key __key; \ 
    __class_create(owner, name, &__key); \ 
}) 

struct class *__class_create(struct module *owner, 
                             const char *name, 
                             struct lock_class_key *key) 

卸載驅(qū)動程序的時候需要使用函數(shù)為class_destroy刪除掉類：

/*
* cls：要刪除的類
*/
void class_destroy(struct class *cls); 

2.3.3 創(chuàng)建設備

創(chuàng)建好類以后還不能實現(xiàn)自動創(chuàng)建設備節(jié)點，還需要在這個類下創(chuàng)建一個設備。使用device_create函數(shù)創(chuàng)建設備:

/*
* class：設備要創(chuàng)建哪個類下面
* parent：父設備, 一般為 NULL
* devt：設備號
* drvdata：設備可能會使用的一些數(shù)據(jù),一般為 NULL
* fmt：設備名字
*/
struct device *device_create(struct clas *class,  
                             struct device *parent,  
                             dev_t devt,  
                             void *drvdata,  
                             const char *fmt, ...) 

參數(shù)最后的...表示這在是一個可變參數(shù)的函數(shù)。

2.4 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(dev_t)，類(class)、設備(device)、開關狀態(tài)(state)等等，在編寫驅(qū)動的時候你可以將這些屬性全部寫成變量的形式:

 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*/ 

可以將所有屬性信封裝到結構體中， 并在編寫驅(qū)動open函數(shù)的時候?qū)⑵渥鳛樗接袛?shù)據(jù)添加到設備文件中：

/*設備結構體*/ 
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; 
} 

3 驅(qū)動程序編寫

在上篇的基礎上進行修改，因為只是更換的驅(qū)動程序的編寫方式，與應用程序無關，因此只修改驅(qū)動程序即可。

3.1 添加一些定義

因為上篇文章的代碼中使用的是chrdevbase這個名稱，為了減少修改量，這里僅把結構體類型定義為帶有new標志的newchr_dev，變量名仍使用chrdevbase這個名稱。

#define CHRDEVBASE_CNT			1		/* 設備號個數(shù) */
#define CHRDEVBASE_NAME	 "chrdevbase"	/* 名字 */

/*newchr設備結構體 */
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 */

3.2 修改open函數(shù)

在上篇程序的基礎上增加了一條“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;
}

3.3 修改init函數(shù)

這個修改比較大，因為要在init函數(shù)中使用設備號的自動分配。

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;
}

3.4 修改exit函數(shù)

因為init修改較大，對應的exit也要進行大的修改：

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");
}

至此，修改完畢，其它的與之前的一樣。

3.5 新舊驅(qū)動方式對比

通過一張圖來對比新舊兩種驅(qū)動編寫方式的區(qū)別：

舊方式編寫驅(qū)動的流程

新方式編寫驅(qū)動的流程

可以看出主要區(qū)別在驅(qū)動的加載和卸載。

4 編譯驅(qū)動

和上次編譯驅(qū)動的方式一樣，使用makefile，因為驅(qū)動的c文件名由chrdevbase.c改為了newchrdevbase.c，因此makefile文件中也要把名字改掉。

編譯完之后，將編譯出的ko文件先復制到ubuntu虛擬機的tftpboot目錄中，為后面的測序做準備。

復制后，看一下tftpboot目錄：

5 程序測試

5.1 文件發(fā)送到板子

和上篇一樣，使用tftp傳輸，將ubuntu虛擬機編譯出的ko文件發(fā)送到linux板子中。

再來看下tftp傳輸?shù)挠布h(huán)境示意圖：

然后是傳輸指令以及傳輸結果，可以看到newchrdevbase.ko已經(jīng)從ubuntu虛擬機的tftpboot目錄傳輸?shù)搅薼inux板子的/lib/modules/4.1.15目錄中了。

5.2 測試

輸入如下兩條指令加載 newchrdevbase.ko 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 newchrdevbase.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，如下圖，主設備號為249。

再輸入ls /dev/chrdevbase -l指令驗證/dev/chrdevbase 這個設備節(jié)點文件是否存在，如下圖，可以看到設備存在，注意和上篇舊驅(qū)動方式操作上的不同之處，舊的驅(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。

驅(qū)動已經(jīng)加載成功，再來測試APP程序，理論上和上篇的效果一樣，實測也是：

OK，測試完畢，測試完使用rmmod指令卸載驅(qū)動。

6 總結

此篇文章針對上篇文章使用舊字符驅(qū)動編寫方式存在的不足，介紹了一種新的字符驅(qū)動編寫方式，對比兩種方式編寫的主要區(qū)別，在上篇驅(qū)動代碼的基礎上進行修改，并測試通過，和上篇實現(xiàn)一樣的效果，但驅(qū)動的加載更加方便，不再需要人為指定設備號。

審核編輯：湯梓紅