目錄
前言
新字符設備驅動原理
申請設備號
注冊設備號
釋放設備號
注冊方法
字符設備結構cdev
cdev_init 函數
cdev_add 函數
cdev_del 函數
自動創建設備節點
mdev 機制
類創建函數
類刪除函數
創建設備函數
刪除設備函數
設置文件私有數據
實驗程序編寫
led.c
ledApp.c
Makefile
編譯代碼
運行測試
前言
在上兩講內容里：我們已經掌握了 Linux 字符設備驅動開發的基本步驟。
驅動開發篇3——字符設備驅動開發實驗
?????驅動開發篇4——LED 驅動開發實驗
使用 register_chrdev 函數注冊字符設備，使用unregister_chrdev 函數注銷字符設備，但這兩個函數是老版本驅動使用的函數。
本講實驗里，我們就來學習一下如何編寫新字符設備驅動，使用Linux內核推薦的新字符設備驅動API函數，在驅動模塊加載的時候自動創建設備節點文件。
新字符設備驅動原理
使用 register_chrdev 函數注冊字符設備的時候只需要給定一個主設備號即可，但是這樣會帶來兩個問題：
- 需要我們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。
解決這兩個問題最好的方法就是要使用設備號的時候向 Linux 內核申請，需要幾個就申請幾個，由 Linux 內核分配設備可以使用的設備號。
申請設備號
如果沒有指定設備號的話就使用如下函數來申請設備號：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)| 參數 | 類型 | 說明 |
|---|---|---|
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| ??輸出參數??，存儲分配到的設備號（主設備號 + 次設備號）。 |
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| 起始次設備號（通常為? |
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| 要連續分配的次設備號數量（如? |
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| 設備名稱（出現在? |
示例代碼：
dev_t devno; // 存儲分配到的設備號
int ret;// 動態分配設備號（主設備號自動分配，次設備號從 0 開始）
ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "my_device");
if (ret < 0) {printk(KERN_ERR "Failed to allocate device number\n");return ret;
}注冊設備號
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來注冊設備號即可：
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)| 參數 | 類型 | 說明 |
|---|---|---|
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| ??起始設備號??（包含主設備號和次設備號，用? |
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| 要連續注冊的次設備號數量（如? |
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| 設備名稱（出現在? |
示例代碼：
dev_t devno;
int ret;// 生成設備號（主設備號250，次設備號0）
devno = MKDEV(MY_MAJOR, MY_MINOR);// 靜態注冊設備號（注冊1個次設備號）
ret = register_chrdev_region(devno, 1, "my_device");
if (ret < 0) {printk(KERN_ERR "Failed to register device number\n");return ret;
}釋放設備號
注銷字符設備之后要釋放掉設備號 ， 不管是通過 alloc_chrdev_region 函數還是register_chrdev_region 函數申請的設備號，統一使用如下釋放函數：
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)| 參數 | 類型 | 說明 |
|---|---|---|
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| ??起始設備號??（需與注冊時一致，用? |
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| 要釋放的連續次設備號數量（需與注冊時一致）。 |
示例代碼：
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 */
}...unregister_chrdev_region(devid, 1); /* 注銷設備號 */注冊方法
字符設備結構cdev
在 Linux 中使用 cdev 結構體表示一個字符設備， cdev 結構體在 include/linux/cdev.h 文件中的定義如下：
struct cdev {struct kobject kobj; // 內嵌的 kobject（用于設備模型）struct module *owner; // 指向所屬模塊的指針（通常為 THIS_MODULE）const struct file_operations *ops; // 設備操作函數集（如 open、read、write）struct list_head list; // 鏈表節點（用于管理所有 cdev）dev_t dev; // 設備號（主設備號 + 次設備號）unsigned int count; // 關聯的次設備號數量
};| 成員 | 類型 | 說明 |
|---|---|---|
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| 內嵌的內核對象，用于設備模型和 sysfs 交互。 |
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| 指向擁有該設備的模塊（通常設為? |
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| 設備操作函數集（如? |
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| 鏈表節點，內核通過此字段管理所有注冊的? |
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| 設備號（通過? |
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| 設備關聯的次設備號數量（通常為 1）。 |
cdev_init 函數
定義好 cdev 變量以后就要使用 cdev_init 函數對其進行初始化。
cdev_init 函數原型如下：
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)| 參數 | 類型 | 說明 |
|---|---|---|
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| 要初始化的? |
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| 設備操作函數集（如? |
示例代碼：
struct cdev my_cdev;
cdev_init(&my_cdev, &my_fops); // 綁定 file_operations
my_cdev.owner = THIS_MODULE; // 設置所屬模塊cdev_add 函數
cdev_add 函數用于向 Linux 系統添加字符設備(cdev 結構體變量)。
首先使用 cdev_init 函數完成對 cdev 結構體變量的初始化，然后使用 cdev_add 函數向 Linux 系統添加這個字符設備。
cdev_add 函數原型如下：
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count)| 參數 | 類型 | 說明 |
|---|---|---|
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| 已通過? |
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| 設備號（主設備號 + 起始次設備號，用? |
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| 連續分配的次設備號數量（通常為? |
示例代碼：
cdev_add(&testcdev, devid, 1); /* 添加字符設備 */cdev_del 函數
卸載驅動的時候一定要使用 cdev_del 函數從 Linux 內核中刪除相應的字符設備。
cdev_del函數原型如下：
void cdev_del(struct cdev *p)| 參數 | 類型 | 說明 |
|---|---|---|
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|
| 要注銷的? |
示例代碼：
#include <linux/cdev.h>static struct cdev my_cdev;
static dev_t devno;static int __init my_init(void) {// 1. 分配設備號（動態或靜態）int ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "mydev");if (ret < 0) return ret;// 2. 初始化 cdevcdev_init(&my_cdev, &my_fops);// 3. 注冊到內核ret = cdev_add(&my_cdev, devno, 1);if (ret < 0) {unregister_chrdev_region(devno, 1); // 失敗時釋放設備號return ret;}// 4. 創建設備節點（可選，udev 可能自動創建）device_create(my_class, NULL, devno, NULL, "mydev");return 0;
}static void __exit my_exit(void) {device_destroy(my_class, devno); // 移除設備節點cdev_del(&my_cdev); // 注銷 cdevunregister_chrdev_region(devno, 1); // 釋放設備號
}自動創建設備節點
在前面的 Linux 驅動實驗中，當我們使用 modprobe 加載驅動程序以后，還需要使用命令“mknod”手動創建設備節點。
那么如何實現自動創建設備節點呢？怎么在驅動中實現自動創建設備節點的功能以后，使用 modprobe 加載驅動模塊成功的話就會自動在/dev 目錄下創建對應的設備文件。
mdev 機制
udev 是一個用戶程序，在 Linux 下通過 udev 來實現設備文件的創建與刪除， udev 可以檢測系統中硬件設備狀態，可以根據系統中硬件設備狀態來創建或者刪除設備文件。
使用 busybox 構建根文件系統的時候， busybox 會創建一個 udev 的簡化版本—mdev。
mdev 核心功能：
- 動態創建設備節點??：在 /dev目錄下自動生成設備文件（如 /dev/sda1）。
- ??響應熱插拔事件??：處理設備插入（add）、移除（remove）等事件。
- ??輕量級??：BusyBox 的一部分，適合嵌入式系統。
自動創建設備節點的工作是在驅動程序的入口函數中完成的，一般在 cdev_add 函數后面添加自動創建設備節點相關代碼。
首先要創建一個 class 類， class 是個結構體，定義在文件include/linux/device.h 里面。
類創建函數
class_create 是類創建函數， class_create 是個宏定義，內容如下：
#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)將宏 class_create 展開以后內容如下：
struct class *class_create (struct module *owner, const char *name)- 參數 owner 一般為 THIS_MODULE，
- 參數 name 是類名字。
- 返回值是個指向結構體 class 的指針，也就是創建的類。
?
類刪除函數
卸載驅動程序的時候需要刪除掉類，類刪除函數為 class_destroy，函數原型如下：
void class_destroy(struct class *cls);參數 cls 就是要刪除的類。
示例代碼：
static struct class *my_class;static int __init my_init(void) {my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_device");if (IS_ERR(my_class)) {return PTR_ERR(my_class);}return 0;
}static void __exit my_exit(void) {class_destroy(my_class);
}創建設備函數
建好類以后還不能實現自動創建設備節點，我們還需要在這個類下創建一個設備。
使用 device_create 函數在類下面創建設備， device_create 函數原型如下：
struct device *device_create(struct class *class, // 所屬的設備類（由 class_create 創建）struct device *parent, // 父設備（通常為 NULL）dev_t devt, // 設備號（主設備號 + 次設備號）void *drvdata, // 驅動私有數據（可傳遞到驅動的 file_operations）const char *fmt, ... // 設備名稱（支持格式化字符串，如 "mydevice%d"）
);| 參數 | 類型 | 說明 |
|---|---|---|
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| 設備所屬的類（如? |
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| 父設備（用于設備層次結構，通常設為? |
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| 設備號（通過? |
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| 傳遞給驅動的私有數據（可在? |
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| 設備名稱（如? |
刪除設備函數
同樣的，卸載驅動的時候需要刪除掉創建的設備。
設備刪除函數為 device_destroy，函數原型如下：
void device_destroy(struct class *class, // 設備所屬的類（需與 device_create 使用的 class 一致）dev_t devt // 設備號（需與 device_create 使用的 dev_t 一致）
);| 參數 | 類型 | 說明 |
|---|---|---|
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| 設備所屬的類（由? |
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| 設備號（主設備號 + 次設備號，需與? |
示例代碼：
struct class *class; /* 類 */
struct device *device; /* 設備 */
dev_t devid; /* 設備號 *//* 驅動入口函數 */
static int __init led_init(void)
{/* 創建類 */class = class_create(THIS_MODULE, "xxx");/* 創建設備 */device = device_create(class, NULL, devid, NULL, "xxx");return 0;
}/* 驅動出口函數 */
static void __exit led_exit(void)
{/* 刪除設備 */device_destroy(class, devid);/* 刪除類 */class_destroy(class);
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);設置文件私有數據
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(state)等。對于一個設備的所有屬性信息我們最好將其做成一個結構體。
編寫驅動 open 函數的時候將設備結構體作為私有數據添加到設備文件中，如下所示：
/* 設備結構體 */
struct test_dev {dev_t devid; /* 設備號 */struct cdev cdev; /* cdev 字符設備結構 */struct class *class; /* 設備類 */struct device *device; /* 設備實例 */int major; /* 主設備號 */int minor; /* 次設備號 */
};struct test_dev testdev;/* open 函數 */
static int test_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{filp->private_data = &testdev; /* 設置私有數據 */return 0;
}在 open 函數里面設置好私有數據以后，在 write、 read、 close 等函數中直接讀取 private_data即可得到設備結構體。
實驗程序編寫
在上一講內容的基礎上修改：LED 驅動開發實驗
重點是使用了新的字符設備驅動、設置了文件私有數據、添加了自動創建設備節點相關內容。
.json文件
vscode的c_cpp_properties.json文件里，頭文件路徑包含linux內核源碼：
{"configurations": [{"name": "Linux","includePath": ["${workspaceFolder}/**","/home/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga/include","/home/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga/arch/arm/include","/home/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga/arch/arm/include/generated/"],"defines": [],"compilerPath": "/usr/bin/gcc","cStandard": "c11","cppStandard": "c++17","intelliSenseMode": "clang-x64"}],"version": 4
}led.c
led.c文件主要是LED 燈驅動部分的程序，使用了新的字符設備驅動方法。
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>#define NEWCHRLED_CNT 1 /* 設備號個數 */
#define NEWCHRLED_NAME "newchrled" /* 名字 */
#define LEDOFF 0 /* 關燈 */
#define LEDON 1 /* 開燈 *//* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE (0X020C406C)
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE (0X020E0068)
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE (0X020E02F4)
#define GPIO1_DR_BASE (0X0209C000)
#define GPIO1_GDIR_BASE (0X0209C004)/* 映射后的寄存器虛擬地址指針 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;/* newchrled設備結構體 */
struct newchrled_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 newchrled_dev newchrled; /* led設備 *//** @description : LED打開/關閉* @param - sta : LEDON(0) 打開LED，LEDOFF(1) 關閉LED* @return : 無*/
void led_switch(u8 sta)
{u32 val = 0;if(sta == LEDON) {val = readl(GPIO1_DR);val &= ~(1 << 3); writel(val, GPIO1_DR);}else if(sta == LEDOFF) {val = readl(GPIO1_DR);val|= (1 << 3); writel(val, GPIO1_DR);}
}/** @description : 打開設備* @param - inode : 傳遞給驅動的inode* @param - filp : 設備文件，file結構體有個叫做private_data的成員變量* 一般在open的時候將private_data指向設備結構體。* @return : 0 成功;其他 失敗*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{filp->private_data = &newchrled; /* 設置私有數據 */return 0;
}/** @description : 從設備讀取數據 * @param - filp : 要打開的設備文件(文件描述符)* @param - buf : 返回給用戶空間的數據緩沖區* @param - cnt : 要讀取的數據長度* @param - offt : 相對于文件首地址的偏移* @return : 讀取的字節數，如果為負值，表示讀取失敗*/
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{return 0;
}/** @description : 向設備寫數據 * @param - filp : 設備文件，表示打開的文件描述符* @param - buf : 要寫給設備寫入的數據* @param - cnt : 要寫入的數據長度* @param - offt : 相對于文件首地址的偏移* @return : 寫入的字節數，如果為負值，表示寫入失敗*/
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue;unsigned char databuf[1];unsigned char ledstat;retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);if(retvalue < 0) {printk("kernel write failed!\r\n");return -EFAULT;}ledstat = databuf[0]; /* 獲取狀態值 */if(ledstat == LEDON) { led_switch(LEDON); /* 打開LED燈 */} else if(ledstat == LEDOFF) {led_switch(LEDOFF); /* 關閉LED燈 */}return 0;
}/** @description : 關閉/釋放設備* @param - filp : 要關閉的設備文件(文件描述符)* @return : 0 成功;其他 失敗*/
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}/* 設備操作函數 */
static struct file_operations newchrled_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = led_open,.read = led_read,.write = led_write,.release = led_release,
};/** @description : 驅動出口函數* @param : 無* @return : 無*/
static int __init led_init(void)
{u32 val = 0;/* 初始化LED *//* 1、寄存器地址映射 */IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);/* 2、使能GPIO1時鐘 */val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);val &= ~(3 << 26); /* 清楚以前的設置 */val |= (3 << 26); /* 設置新值 */writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);/* 3、設置GPIO1_IO03的復用功能，將其復用為* GPIO1_IO03，最后設置IO屬性。*/writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);/*寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03設置IO屬性*bit 16:0 HYS關閉*bit [15:14]: 00 默認下拉*bit [13]: 0 kepper功能*bit [12]: 1 pull/keeper使能*bit [11]: 0 關閉開路輸出*bit [7:6]: 10 速度100Mhz*bit [5:3]: 110 R0/6驅動能力*bit [0]: 0 低轉換率*/writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);/* 4、設置GPIO1_IO03為輸出功能 */val = readl(GPIO1_GDIR);val &= ~(1 << 3); /* 清除以前的設置 */val |= (1 << 3); /* 設置為輸出 */writel(val, GPIO1_GDIR);/* 5、默認關閉LED */val = readl(GPIO1_DR);val |= (1 << 3); writel(val, GPIO1_DR);/* 注冊字符設備驅動 *//* 1、創建設備號 */if (newchrled.major) { /* 定義了設備號 */newchrled.devid = MKDEV(newchrled.major, 0);register_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);} else { /* 沒有定義設備號 */alloc_chrdev_region(&newchrled.devid, 0, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME); /* 申請設備號 */newchrled.major = MAJOR(newchrled.devid); /* 獲取分配號的主設備號 */newchrled.minor = MINOR(newchrled.devid); /* 獲取分配號的次設備號 */}printk("newcheled major=%d,minor=%d\r\n",newchrled.major, newchrled.minor); /* 2、初始化cdev */newchrled.cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&newchrled.cdev, &newchrled_fops);/* 3、添加一個cdev */cdev_add(&newchrled.cdev, newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT);/* 4、創建類 */newchrled.class = class_create(THIS_MODULE, NEWCHRLED_NAME);if (IS_ERR(newchrled.class)) {return PTR_ERR(newchrled.class);}/* 5、創建設備 */newchrled.device = device_create(newchrled.class, NULL, newchrled.devid, NULL, NEWCHRLED_NAME);if (IS_ERR(newchrled.device)) {return PTR_ERR(newchrled.device);}return 0;
}/** @description : 驅動出口函數* @param : 無* @return : 無*/
static void __exit led_exit(void)
{/* 取消映射 */iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);iounmap(GPIO1_DR);iounmap(GPIO1_GDIR);/* 注銷字符設備驅動 */cdev_del(&newchrled.cdev);/* 刪除cdev */unregister_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT); /* 注銷設備號 */device_destroy(newchrled.class, newchrled.devid);class_destroy(newchrled.class);
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("huax");
ledApp.c
ledApp.c文件和上一講實驗的代碼一致，沒有修改。
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"#define LEDOFF 0
#define LEDON 1/** @description : main主程序* @param - argc : argv數組元素個數* @param - argv : 具體參數* @return : 0 成功;其他 失敗*/
int main(int argc, char *argv[])
{int fd, retvalue;char *filename;unsigned char databuf[1];if(argc != 3){printf("Error Usage!\r\n");return -1;}filename = argv[1];/* 打開led驅動 */fd = open(filename, O_RDWR);if(fd < 0){printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);return -1;}databuf[0] = atoi(argv[2]); /* 要執行的操作：打開或關閉 *//* 向/dev/led文件寫入數據 */retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));if(retvalue < 0){printf("LED Control Failed!\r\n");close(fd);return -1;}retvalue = close(fd); /* 關閉文件 */if(retvalue < 0){printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);return -1;}return 0;
}Makefile
makefile文件只需要修改?obj-m 變量的值，改為 newchrled.o。
KERNELDIR := /home/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_gaCURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := newchrled.obuild: kernel_modules
kernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean編譯代碼
運行以下命令：編譯出驅動模塊文件和測試 ledApp.c 測試程序。
make -j32arm-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp運行測試
將編譯出來的 led.ko 和 ledApp 這
ls /dev/newchrled -l兩個文件拷貝到我們制作的根目錄 rootfs/lib/modules/4.1.15目錄中。
重啟開發板，進入到目錄 lib/modules/4.1.15 中，輸入如下命令加載 led.ko 驅動模塊：
depmod //第一次加載驅動的時候需要運行此命令
modprobe newchrled.ko //加載驅動驅動加載成功以后會輸出申請到的主設備號和次設備號，如圖：
可以看出，申請到的主設備號為 249，次設備號為 0。
驅動加載成功以后會自動在/dev 目錄下創建設備節點文件/dev/newchrdev。
輸入如下命令查看/dev/newchrdev 這個設備節點文件是否存在：
ls /dev/newchrled -l結果如圖：
使用 ledApp 軟件來測試驅動是否工作正常，命令如下：
./ledApp /dev/newchrled 1 //打開 LED 燈./ledApp /dev/newchrled 0 //關閉 LED 燈觀察LED燈是否能夠正常打開、關閉。
卸載驅動的話輸入如下命令：
rmmod led.ko-附完整Matlab免費代碼)
：Docker引擎與Docker Desktop)
新特性)
