Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)模板中介紹了舊版本的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)模板，其需要手動(dòng)分配設(shè)備號(hào)后，再進(jìn)行注冊(cè)，驅(qū)動(dòng)加載成功后還需要手動(dòng)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，比較麻煩。 目前Linux內(nèi)核推薦的新字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)API函數(shù)，可以自動(dòng)分配設(shè)備號(hào)、創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，使得驅(qū)動(dòng)的使用更加方便

1. 新字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)原理

1.1 分配和釋放設(shè)備號(hào)

舊字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)中使用register_chrdev函數(shù)注冊(cè)字符設(shè)備時(shí)，需要事先確定好主設(shè)備號(hào)，并且注冊(cè)成功后，會(huì)將該設(shè)備號(hào)下的所有次設(shè)備號(hào)都使用掉

而新字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)API函數(shù)很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，使用設(shè)備號(hào)時(shí)再向內(nèi)核申請(qǐng)，需要幾個(gè)就申請(qǐng)幾個(gè)，由內(nèi)核分配設(shè)備可以使用的設(shè)備號(hào)

設(shè)備號(hào)申請(qǐng)函數(shù)：沒(méi)有指定設(shè)備號(hào)

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name) 
//dev：保存申請(qǐng)到的設(shè)備號(hào)
//baseminor：次設(shè)備號(hào)起始地址，一般為0
//count：要申請(qǐng)的設(shè)備號(hào)數(shù)量
//name：設(shè)備名字

設(shè)備號(hào)申請(qǐng)函數(shù)：指定了主次設(shè)備號(hào)

int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name) 
//from：要申請(qǐng)的起始設(shè)備號(hào)
//count：要申請(qǐng)的設(shè)備號(hào)數(shù)量
//name：設(shè)備名字

設(shè)備號(hào)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(shè)備號(hào)
//count：表示從from開(kāi)始，要釋放的設(shè)備號(hào)數(shù)量

因此新字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)中，設(shè)備號(hào)分配代碼通常按如下示例編寫(xiě)：

int major;     /* 主設(shè)備號(hào) */
int minor;     /* 次設(shè)備號(hào) */
dev_t devid;   /* 設(shè)備號(hào) */

if (major) {   /* 定義了主設(shè)備號(hào) */
    devid = MKDEV(major, 0);    /*大部分驅(qū)動(dòng)次設(shè)備號(hào)都選擇0*/
    register_chrdev_region(devid, 1, "test");
} else {      /* 沒(méi)有定義設(shè)備號(hào) */
    alloc_chrdev_region(&devid, 0, 1, "test"); /*申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)*/
    major = MAJOR(devid);       /* 獲取分配號(hào)的主設(shè)備號(hào) */
    minor = MINOR(devid);       /* 獲取分配號(hào)的次設(shè)備號(hào) */
}

1.2 注冊(cè)字符設(shè)備

Linux中使用cdev表示字符設(shè)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(shè)備號(hào)
    unsigned int count;
};
//編寫(xiě)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)之前需要定義一個(gè)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(jìn)行初始化

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

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

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(shè)備 */

cdev_del函數(shù)：卸載驅(qū)動(dòng)時(shí)從內(nèi)核中刪除相應(yīng)的字符設(shè)備

void cdev_del(struct cdev *p)
//p：要?jiǎng)h除的字符設(shè)備

1.3 自動(dòng)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)

舊字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)中，驅(qū)動(dòng)程序加載成功后還需要使用mknod命令手動(dòng)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，十分麻煩。

而新字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)中，Linux通過(guò)udev用戶程序來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備文件的自動(dòng)創(chuàng)建與刪除。 udev會(huì)檢測(cè)系統(tǒng)中硬件設(shè)備狀態(tài)，并根據(jù)硬件設(shè)備狀態(tài)來(lái)創(chuàng)建或者刪除設(shè)備文件。

使用busybox構(gòu)建根文件系統(tǒng)時(shí)，busybox會(huì)創(chuàng)建一個(gè)udev的簡(jiǎn)化版本mdev。 因此，在嵌入式開(kāi)發(fā)中使用mdev來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件的自動(dòng)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(yǔ)句：

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

創(chuàng)建類：自動(dòng)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)的工作是在驅(qū)動(dòng)程序入口函數(shù)中完成的，一般在cdev_add之后添加相關(guān)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(gè)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(dòng)程序時(shí)需要?jiǎng)h除類

void class_destroy(struct class *cls)
//cls 就是要?jiǎng)h除的類

創(chuàng)建設(shè)備：類創(chuàng)建好后還不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，還需要在該類下創(chuàng)建一個(gè)設(shè)備

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

刪除設(shè)備：卸載驅(qū)動(dòng)時(shí)需要?jiǎng)h除創(chuàng)建的設(shè)備

void device_destroy(struct class *class, dev_t devt)
//class 是要?jiǎng)h除的設(shè)備所處的類
//devt 是要?jiǎng)h除的設(shè)備號(hào)

1.4 設(shè)置文件私有數(shù)據(jù)

每個(gè)硬件設(shè)備都有一些屬性，比如主設(shè)備號(hào)、類、設(shè)備、開(kāi)關(guān)狀態(tài)等等，在編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)時(shí)可將這些屬性封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)體。 并在編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)open函數(shù)時(shí)將設(shè)備結(jié)構(gòu)體作為私有數(shù)據(jù)添加到設(shè)備文件中：

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

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

綜上所述，新字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)流程如下圖所示：

2. 新字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)

新字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)是在Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)模板一文的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，只更改了驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě)方式，與應(yīng)用程序無(wú)關(guān)，因此只修改驅(qū)動(dòng)程序即可

2.1 驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)

添加定義：宏及字符設(shè)備定義

#define CHRDEVBASE_CNT   1            //設(shè)備號(hào)個(gè)數(shù)
#define CHRDEVBASE_NAME  "chrdevbase" //名字
/*newchr設(shè)備結(jié)構(gòu)體 */
struct newchr_dev{
    dev_t devid;             //設(shè)備號(hào)
    struct cdev cdev;        //cdev 
    struct class *class;     //類   
    struct device *device;   //設(shè)備 
    int major;               //主設(shè)備號(hào)
    int minor;               //次設(shè)備號(hào)
};

struct newchr_dev chrdevbase; //自定義字符設(shè)備

修改open函數(shù)：設(shè)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(shè)置私有數(shù)據(jù)
    return 0;
}

修改init函數(shù)

static int __init chrdevbase_init(void)
{
    /* 注冊(cè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng) */
    //1、創(chuàng)建設(shè)備號(hào)
    if (chrdevbase.major) /* 定義了設(shè)備號(hào) */
    {
        chrdevbase.devid = MKDEV(chrdevbase.major, 0);
        register_chrdev_region(chrdevbase.devid, CHRDEVBASE_CNT, CHRDEVBASE_NAME);
    } 
    else /* 沒(méi)有定義設(shè)備號(hào) */
    {
        alloc_chrdev_region(&chrdevbase.devid, 0, CHRDEVBASE_CNT, CHRDEVBASE_NAME); /* 申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào) */
        chrdevbase.major = MAJOR(chrdevbase.devid); /* 獲取分配號(hào)的主設(shè)備號(hào) */
        chrdevbase.minor = MINOR(chrdevbase.devid); /* 獲取分配號(hào)的次設(shè)備號(hào) */
    }
    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(gè)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(shè)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(shè)備驅(qū)動(dòng) */
    cdev_del(&chrdevbase.cdev);/*  刪除cdev */
    unregister_chrdev_region(chrdevbase.devid, CHRDEVBASE_CNT); /* 注銷設(shè)備號(hào) */

    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(dòng)程序和應(yīng)用程序編譯兩個(gè)部分：

驅(qū)動(dòng)程序編譯：創(chuàng)建Makefile文件，使用make命令，編譯驅(qū)動(dòng)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(yīng)用程序編譯：無(wú)需內(nèi)核參與，直接編譯即可

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

2.3 運(yùn)行測(cè)試

為了方便，選擇通過(guò)TFTP從網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)，并使用NFS掛載網(wǎng)絡(luò)根文件系統(tǒng)。 確保開(kāi)發(fā)板能正常啟動(dòng)，在Ubuntu中將驅(qū)動(dòng)和測(cè)試文件復(fù)制到modules/4.1.15目錄中

在開(kāi)發(fā)板中輸入如下指令加載驅(qū)動(dòng)模塊

depmod                    //第一次加載驅(qū)動(dòng)的時(shí)候需要運(yùn)行此命令
modprobe newchrdev.ko     //加載驅(qū)動(dòng)

驅(qū)動(dòng)加載成功后，可以看到自動(dòng)申請(qǐng)到的主設(shè)備號(hào)和次設(shè)備號(hào)

使用ls /dev/chrdevbase -l命令驗(yàn)證該設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件是否存在，而舊驅(qū)動(dòng)方式需要額外使用mknod指令來(lái)手動(dòng)創(chuàng)建該設(shè)備節(jié)點(diǎn)文件

驅(qū)動(dòng)加載成功后，測(cè)試APP程序，如下

測(cè)試完使用rmmod指令卸載驅(qū)動(dòng)

以上可見(jiàn)Linux新字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)方式可以自動(dòng)分配設(shè)備號(hào)、創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，使得驅(qū)動(dòng)的使用更加方便、便捷。