新字符设备驱动实验-优快云博客

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register_chrdev 和 unregister_chrdev 这两个函数是老版本驱动使用的函数，现在新的字符设备驱动已经不再使用这两个函数，而是使用Linux内核推荐的新字符设备驱动API函数。

一、驱动原理

1. 分配和释放设备号

使用 register_chrdev 函数注册字符设备的时候只需要给定一个主设备号即可，但是这样会带来两个问题：

①、需要我们事先确定好哪些主设备号没有使用。

②、会将一个主设备号下的所有次设备号都使用掉，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。这样太浪费次设备号了！一个 LED 设备肯定只能有一个主设备号，一个次设备号。

如果没有指定设备号的话就使用如下函数来申请设备号：

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

如果给定了设备的主设备号和次设备号就使用如下所示函数来注册设备号即可：

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

from：起始设备号
count：申请的数量
name：设备名字

注销字符设备需要释放设备号，释放函数：

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

设备号分配示例代码如下：

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 */ 
}

注销设备号：

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

2. 字符设备注册方法

2.1 字符设备结构

在 Linux 中使用 cdev 结构体表示一个字符设备，cdev 结构体在 include/linux/cdev.h 文件中的定义如下：

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

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:

struct cdev test_cdev;

2.2 cdev_init 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：

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。

2.3 cdev_add

cdev_add 函数用于向 Linux 系统添加字符设备(cdev 结构体变量)

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

2.4 cdev_del

卸载驱动的时候一定要使用 cdev_del 函数从 Linux 内核中删除相应的字符设备

void cdev_del(struct cdev *p)

二、自动创建设备节点

之前驱动实验中，当我们使用 modprobe 加载驱动程序以后还需要使用命令 “mknod”手动创建设备节点。而我们需要指定如何实现自动创建节点。

1. mdev 机制

udev 是一个用户程序，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。

使用 busybox 构建根文件系统的时候，busybox 会创建一个 udev 的简化版本—mdev，使用mdev 来实现设备节点文件的自动创建与删除，Linux 系统中的热插拔事件也由 mdev 管理，在 /etc/init.d/rcS 文件中如下语句：

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

2. 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。

类创建函数：

struct class *class_create (struct module *owner, const char *name)

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。

类删除函数：

void class_destroy(struct class *cls);

3. 创建设备

我们还需要在类下创建一个设备。使用 device_create 函数在类下面创建设备：

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

class：设备需要创建哪个类下面
parent：父设备
devt：设备号
fmt：设备名

设备删除函数 device_destroy：

void device_destroy(struct class *class, dev_t devt)

4. 参考示例

5. 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：

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 */ 
};

三、实验程序编写

头文件部分需要多添加两个：

#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>

1. 宏定义部分

原来是要写主设备号的，现在写的是个数。

//原设备驱动写法
#define LED_MAJOR		200		/* 主设备号 */
#define LED_NAME		"led" 	/* 设备名字 */
#define LEDOFF 	0				/* 关灯 */
#define LEDON 	1				/* 开灯 */

//新设备驱动写法
#define NEWCHRLED_CNT			1		  	/* 设备号个数 */
#define NEWCHRLED_NAME			"newchrled"	/* 名字 */
#define LEDOFF 					0			/* 关灯 */
#define LEDON 					1			/* 开灯 */

2. 物理映射虚拟地址

/* 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)

/* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
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;

3. newchrled 设备结构体

/* newchrled设备结构体 */
struct newchrled_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   */
};

led 设备

用 newchrled_dev 来定义 newchrled。

struct newchrled_dev newchrled;	/* led设备 */

4. 打开、读、写、关闭设备

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - inode 	: 传递给驱动的inode
 * @param - filp 	: 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
 * 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	filp->private_data = &newchrled; /* 设置私有数据 */
	return 0;
}

/*
 * @description		: 从设备读取数据 
 * @param - filp 	: 要打开的设备文件(文件描述符)
 * @param - buf 	: 返回给用户空间的数据缓冲区
 * @param - cnt 	: 要读取的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
 */
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return 0;
}

/*
 * @description		: 向设备写数据 
 * @param - filp 	: 设备文件，表示打开的文件描述符
 * @param - buf 	: 要写给设备写入的数据
 * @param - cnt 	: 要写入的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
 */
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];		/* 获取状态值 */

	if(ledstat == LEDON) {	
		led_switch(LEDON);		/* 打开LED灯 */
	} else if(ledstat == LEDOFF) {
		led_switch(LEDOFF);	/* 关闭LED灯 */
	}
	return 0;
}

/*
 * @description		: 关闭/释放设备
 * @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

5. 设备操作函数

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations newchrled_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = led_open,
	.read = led_read,
	.write = led_write,
	.release = 	led_release,
};

6. 驱动入口函数

这一块的注册字符设备驱动需要大改：

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init led_init(void)
{
	//int retvalue = 0;
	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时钟 */
	val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
	val &= ~(3 << 26);	/* 清楚以前的设置 */
	val |= (3 << 26);	/* 设置新值 */
	writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);

	/* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为
	 *    GPIO1_IO03，最后设置IO属性。
	 */
	writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
	
	/*寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03设置IO属性
	 *bit 16:0 HYS关闭
	 *bit [15:14]: 00 默认下拉
     *bit [13]: 0 kepper功能
     *bit [12]: 1 pull/keeper使能
     *bit [11]: 0 关闭开路输出
     *bit [7:6]: 10 速度100Mhz
     *bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力
     *bit [0]: 0 低转换率
	 */
	writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);

	/* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */
	val = readl(GPIO1_GDIR);
	val &= ~(1 << 3);	/* 清除以前的设置 */
	val |= (1 << 3);	/* 设置为输出 */
	writel(val, GPIO1_GDIR);

	/* 5、默认关闭LED */
	val = readl(GPIO1_DR);
	val |= (1 << 3);	
	writel(val, GPIO1_DR);

	/* 6、注册字符设备驱动 */
	// 旧写法
	// retvalue = register_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME, &led_fops);
	// if(retvalue < 0){
	// 	printk("register chrdev failed!\r\n");
	// 	return -EIO;
	// }
	// return 0;

	//新写法
	/* 1、创建设备号 */
	if (newchrled.major) {		/*  定义了设备号 */
		newchrled.devid = MKDEV(newchrled.major, 0);
		register_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);
	} else {						/* 没有定义设备号 */
		alloc_chrdev_region(&newchrled.devid, 0, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);	/* 申请设备号 */
		newchrled.major = MAJOR(newchrled.devid);	/* 获取分配号的主设备号 */
		newchrled.minor = MINOR(newchrled.devid);	/* 获取分配号的次设备号 */
	}
	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、添加一个cdev */
	cdev_add(&newchrled.cdev, newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT);

	/* 4、创建类 */
	newchrled.class = class_create(THIS_MODULE, NEWCHRLED_NAME);
	if (IS_ERR(newchrled.class)) {
		return PTR_ERR(newchrled.class);
	}

	/* 5、创建设备 */
	newchrled.device = device_create(newchrled.class, NULL, newchrled.devid, NULL, NEWCHRLED_NAME);
	if (IS_ERR(newchrled.device)) {
		return PTR_ERR(newchrled.device);
	}
	
	return 0;
}

7. 注销字符设备

这部分也需要更改

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
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);

	/* 注销字符设备驱动 */
	//旧写法
	// unregister_chrdev(LED_MAJOR, LED_NAME);

	//新写法
	cdev_del(&newchrled.cdev);/*  删除cdev */
	unregister_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT); /* 注销设备号 */

	device_destroy(newchrled.class, newchrled.devid);
	class_destroy(newchrled.class);
}

四、测试

使用之前的 LED 驱动测试文件 ledApp.c。更改 Makefile 文件，将 obj-m 变量的值改为 newchrled.o 即可。

编译号 ledApp 和 newchrled.ko，拷贝到 rootfs/lib/modules/4.1.15 下，最后加载驱动

depmod 
modprobe newchrled.ko 
ls /dev/newchrled -l

测试 LED 灯

./ledApp /dev/newchrled 1 //打开 LED 灯 
./ledApp /dev/newchrled 0 //关闭 LED 灯
rmmod newchrled.ko