3| 新字符设备驱动实验

新字符设备驱动实验

经过前两实验的实战操作，我们已经掌握了 Linux 字符设备驱动开发的基本步骤，字符设备驱动开发重点是使用 register_chrdev 函数注册字符设备，当不再使用设备的时候就使用unregister_chrdev 函数注销字符设备，驱动模块加载成功以后还需要手动使用 mknod 命令创建设备节点。

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。

本节我们就来学习一下如何编写新字符设备驱动，并且在驱动模块加载的时候自动创建设备节点文件。

一、新字符设备驱动原理

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。

解决这两个问题最好的方法就是要使用设备号的时候向 Linux 内核申请，需要几个就申请几个，由 Linux 内核分配设备可以使用的设备号。

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)

参数 from 是要申请的起始设备号，也就是给定的设备号；

参数 count 是要申请的数量，一般都是一个；

参数 name 是设备名字。

注销字符设备之后要释放掉设备号，不管是通过 alloc_chrdev_region 函数还是register_chrdev_region 函数申请的设备号，统一使用如下释放函数：

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)

新字符设备驱动下，设备号分配示例代码如下：

1 int major; /* 主设备号 */
2 int minor; /* 次设备号 */
3 dev_t devid; /* 设备号 */
4
5 if (major) { /* 定义了主设备号 */
6 		devid = MKDEV(major, 0); /* 大部分驱动次设备号都选择 0 */
7 		register_chrdev_region(devid, 1, "test");
8 } else { /* 没有定义设备号 */
9 		alloc_chrdev_region(&devid, 0, 1, "test"); /* 申请设备号 */
10 		major = MAJOR(devid); /* 获取分配号的主设备号 */
11 		minor = MINOR(devid); /* 获取分配号的次设备号 */
12 }

如果要注销设备号的话，使用如下代码即可：

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

注销设备号的代码很简单。

2|新的字符设备注册方法

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：

1 struct cdev {
2 		struct kobject kobj;
3 		struct module *owner;
4 		const struct file_operations *ops;
5 		struct list_head list;
6		dev_t dev;
7 		unsigned int count;
8 };

在 cdev 中有两个重要的成员变量：ops 和 dev，这两个就是字符设备文件操作函数集合file_operations 以及设备号 dev_t。

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，如下所示：

struct cdev test_cdev;

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，cdev_init 函数原型如下：

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。使用 cdev_init 函数初始化 cdev 变量的示例代码如下：

1 struct cdev testcdev;
2
3 /* 设备操作函数 */
4 static struct file_operations test_fops = {
5 		.owner = THIS_MODULE,
6 		/* 其他具体的初始项 */
7 };
8
9 testcdev.owner = THIS_MODULE;
10 cdev_init(&testcdev, &test_fops); /* 初始化 cdev 结构体变量 */

3 、cdev_add 函数

cdev_add 函数用于向 Linux 系统添加字符设备(cdev 结构体变量)，首先使用 cdev_init 函数完成对 cdev 结构体变量的初始化，然后使用 cdev_add 函数向 Linux 系统添加这个字符设备。

cdev_add 函数原型如下：

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

参数 p 指向要添加的字符设备(cdev 结构体变量)

参数 dev 就是设备所使用的设备号，

参数 count 是要添加的设备数量。

完善示例代码，加入 cdev_add 函数，内容如下所示：

1 struct cdev testcdev;
2
3 /* 设备操作函数 */
4 static struct file_operations test_fops = {
5 		.owner = THIS_MODULE,
6 		/* 其他具体的初始项 */
7 };
8
9 testcdev.owner = THIS_MODULE;
10 cdev_init(&testcdev, &test_fops); /* 初始化 cdev 结构体变量  */
11 cdev_add(&testcdev, devid, 1); /*  添加字符设备 */

以上示例代码 就是新的注册字符设备代码段，Linux 内核中大量的字符设备驱动都是采用这种方法向 Linux 内核添加字符设备。

如果在加上之前示例代码中分配设备号的程序，那么就它们一起实现的就是函数 register_chrdev 的功能。

4 、cdev_del 函数

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，cdev_del函数原型如下：

void cdev_del(struct cdev *p)

参数 p 就是要删除的字符设备。如果要删除字符设备，参考如下代码：

cdev_del(&testcdev);  /* 删除 cdev */

cdev_del 和 unregister_chrdev_region 这两个函数合起来的功能相当于 unregister_chrdev 函数。

二、自动创建设备节点

在前面的 Linux 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。本节就来讲解一下如何实现自动创建设备节点，在驱动中实现自动创建设备节点的功能以后，使用 modprobe 加载驱动模块成功的话就会自动在/dev 目录下创建对应的设备文件。

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。比如使用modprobe 命令成功加载驱动模块以后就自动在/dev 目录下创建对应的设备节点文件,使用 rmmod 命令卸载驱动模块以后就删除掉/dev 目录下的设备节点文件。

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，所以在嵌入式 Linux 中我们使用 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 文件中有如下语句：

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

上述命令设置热插拔事件由 mdev 来管理，关于 udev 或 mdev 更加详细的工作原理这里就不详细探讨了，我们重点来学习一下如何通过 mdev 来实现设备文件节点的自动创建与删除。

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。

首先要创建一个 class 类，class 是个结构体，定义在文件include/linux/device.h 里面。class_create 是类创建函数，class_create 是个宏定义，内容如下：

1 #define class_create(owner, name) \
2 ({ \
3 		static struct lock_class_key __key; \
4 		__class_create(owner, name, &__key); \
5 })
6
7 struct class *__class_create(struct module *owner, const char *name,
8	 						   struct lock_class_key *key)

class_create 一共有两个参数，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。

卸载驱动程序的时候需要删除掉类，类删除函数为 class_destroy，函数原型如下：

void class_destroy(struct class *cls);

参数 cls 就是要删除的类。

3|创建设备

上一小节创建好类以后还不能实现自动创建设备节点，我们还需要在这个类下创建一个设
备。使用 device_create 函数在类下面创建设备，device_create 函数原型如下：

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

device_create 是个可变参数函数

  • 参数 class 就是设备要创建哪个类下面；

    参数 parent 是父设备，一般为 NULL，也就是没有父设备；

    参数 devt 是设备号；

    参数 drvdata 是设备可能会使用的一些数据，一般为 NULL；

    参数 fmt 是设备名字，如果设置 fmt=xxx 的话，就会生成/dev/xxx这个设备文件。

    返回值就是创建好的设备。

同样的，卸载驱动的时候需要删除掉创建的设备，设备删除函数为 device_destroy，函数原型如下：

void device_destroy(struct class *class, dev_t devt)

参数 classs 是要删除的设备所处的类，参数 devt 是要删除的设备号。

4|参考示例

在驱动入口函数里面创建类和设备，在驱动出口函数里面删除类和设备，参考示例如下：

1 struct class *class; /* 类 */
2 struct device *device; /* 设备 */
3 dev_t devid; /* 设备号 */
4
5 /* 驱动入口函数 */
6 static int __init xxx_init(void)
7 {
8 		/* 创建类 */
9 		class = class_create(THIS_MODULE, "xxx");
10 		/* 创建设备 */
11 		device = device_create(class, NULL, devid, NULL, "xxx");
12 		return 0;
13 }
14
15 /* 驱动出口函数 */
16 static void __exit led_exit(void)
17 {
18 		/* 删除设备 */
19 		device_destroy(class, newchrled.devid);
20 		/* 删除类 */
21 		class_destroy(class);
22 }
23
24 module_init(led_init);
25 module_exit(led_exit);

三、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，如下所示：

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 */

这样写肯定没有问题，但是这样写不专业！对于一个设备的所有属性信息我们最好将其做成一个结构体。编写驱动 open 函数的时候将设备结构体作为私有数据添加到设备文件中，如下所示：

	/* 设备结构体 */
1 struct test_dev{
2 		dev_t devid; /* 设备号 */
3 		struct cdev cdev; /* cdev */
4 		struct class *class; /* 类 */
5 		struct device *device; /* 设备 */
6 		int major; /* 主设备号 */
7 		int minor; /* 次设备号 */
8 };
9
10 struct test_dev testdev;
11
12 /* open 函数 */
13 static int test_open(struct inode *inode, struct file *filp)
14 {
15 		filp->private_data = &testdev; /* 设置私有数据 */
16 		return 0;
17 }

在 open 函数里面设置好私有数据以后，在 write、read、close 等函数中直接读取 private_data即可得到设备结构体。

四、硬件原理图

image-20200820181615173

五、实验程序编写

本章实验在上一章实验的基础上完成，重点是使用了新的字符设备驱动、设置了文件私有数据、添加了自动创建设备节点相关内容。

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>



// #define LED_ON 	1
// #define LED_OFF 0
typedef enum led_switch_enum{
	LED_OFF = 0,
	LED_ON = !LED_OFF
}led_switch_t;

/* 寄存器物理地址 */
#define PA_CCM_CCGR1_BASE				(0X020C406C)
#define PA_SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E0068)
#define PA_SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E02F4)
#define PA_GPIO1_DR_BASE 				(0X0209C000)
#define PA_GPIO1_GDIR_BASE 				(0X0209C004)

/* 寄存器虚拟地址 */
static void __iomem *VA_CCM_CCGR1;
static void __iomem *VA_SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *VA_SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *VA_GPIO1_DR;
static void __iomem *VA_GPIO1_GDIR;


static void led_switch(led_switch_t sw)
{
	int val = 0;
	if(sw == LED_ON)
	{
		/* 设置GPIO电平为低电平 默认点亮LED */
		val = readl(VA_GPIO1_DR);
		val &= ~(1 << 3);
		writel(val, VA_GPIO1_DR);
	}
	else
	{
		/* 设置GPIO电平为高电平 关闭LED */
		val = readl(VA_GPIO1_DR);
		val |= (1 << 3);
		writel(val, VA_GPIO1_DR);
	}
}



/* LED设备结构体 */
struct newchrled_dev {
	struct cdev cdev;		//字符设备
	dev_t devid;			//设备号
	struct class *class;	//类
	struct device *device;	//设备
	int major;
	int minor;
	char *chrdevname;
};

static struct newchrled_dev newchrled;


static int newchrled_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	filp->private_data = &newchrled;
	return 0;
}

static ssize_t newchrled_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	char userDataBuf[1];
	int ret = 0;
	ret = copy_from_user(userDataBuf, buf, cnt);
	if(ret < 0)
	{
		printk("write failed!\r\n");
		return -1;
	}
	led_switch(userDataBuf[0]);
	return 0;
}

static int newchrled_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{

	return 0;
}



static const struct file_operations newchrled_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.write = newchrled_write,
	.open = newchrled_open,
	.release = newchrled_release
};

static int __init newchrled_init(void)
{
	int ret = 0;
	int result;
	unsigned int val = 0;
	printk("newchrled_init!\r\n");

	/* 注册设备号 */
	newchrled.chrdevname = "newchrdev_led";
	if(newchrled.major){	//如果给定了主设备号
		newchrled.devid	= MKDEV(newchrled.major, 0);
		ret = register_chrdev_region(newchrled.devid, 1, newchrled.chrdevname);

	}else{	//如果没给定主设备号
		ret = alloc_chrdev_region(&newchrled.devid, 0, 1, newchrled.chrdevname);
	}
	newchrled.major = MAJOR(newchrled.devid);
	newchrled.minor = MINOR(newchrled.devid);
	if(ret < 0){
		printk("register dev failed!\r\n");
		result = -1;
		goto fail_register;
	}
	printk("newchrled  MAJOR:%d  MINOR:%d\r\n", newchrled.major, newchrled.minor);
	

	/* 注册字符设备 */
	newchrled.cdev.owner = newchrled_fops.owner;
	cdev_init(&newchrled.cdev, &newchrled_fops);
	ret = cdev_add(&newchrled.cdev, newchrled.devid, 1);
	if(ret < 0){
		printk("register chrdev failed!\r\n");
		result = -2;
		goto fail_cdev;
	}

	/* 创建设备节点 */
	/* 	1.创建类 */
	newchrled.class = class_create(THIS_MODULE, newchrled.chrdevname);
	if(IS_ERR(newchrled.class)){
		result = PTR_ERR(newchrled.class);
		goto fail_class;
	}
	/*	2.创建设备*/
	newchrled.device = device_create(newchrled.class, NULL,
						newchrled.devid, NULL, newchrled.chrdevname);
	if(IS_ERR(newchrled.device)){
		result = PTR_ERR(newchrled.device);
		goto fail_device;
	}

	/* LED初始化 */
	/* 	->	1.地址映射 */
	VA_CCM_CCGR1 = ioremap(PA_CCM_CCGR1_BASE, 4);
	VA_SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(PA_SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);
	VA_SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(PA_SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
	VA_GPIO1_DR = ioremap(PA_GPIO1_DR_BASE, 4);
	VA_GPIO1_GDIR = ioremap(PA_GPIO1_GDIR_BASE, 4);
	/* 	->	2.初始化 */
	/* 	->	->	打开时钟 */
	val = readl(VA_CCM_CCGR1);
	val &=  ~(3 << 26);
	val |= (3 << 26);
	writel(val, VA_CCM_CCGR1);

	writel(0x5, VA_SW_MUX_GPIO1_IO03);		/* 设置复用 */
	writel(0x10B0, VA_SW_PAD_GPIO1_IO03);	/* 设置电气属性 */

	/* 	->	->	设置GPIO方向为输出*/
	val = readl(VA_GPIO1_GDIR);
	val |= (1 << 3);
	writel(val, VA_GPIO1_GDIR);

	/* 	->	->	设置GPIO电平为高电平 默认关闭LED */
	val = readl(VA_GPIO1_DR);
	val |= (1 << 3);
	writel(val, VA_GPIO1_DR);

	return 0;


fail_device:
	/* 摧毁类 */
	class_destroy(newchrled.class);
fail_class:
	/* 注销字符设备 */
	cdev_del(&newchrled.cdev);
fail_cdev:
	/* 注销设备号 */
	unregister_chrdev_region(newchrled.devid, 1);
fail_register:
	
	return result;
}

static void __exit newchrled_exit(void)
{
	printk("newchrled_exit!\r\n");
	
	/* 地址映射释放 */
	iounmap(VA_CCM_CCGR1);
	iounmap(VA_SW_MUX_GPIO1_IO03);
	iounmap(VA_SW_PAD_GPIO1_IO03);
	iounmap(VA_GPIO1_DR);
	iounmap(VA_GPIO1_GDIR);

	/* 摧毁设备 */
	device_destroy(newchrled.class, newchrled.devid);

	/* 摧毁类 */
	class_destroy(newchrled.class);

	/* 注销字符设备 */
	cdev_del(&newchrled.cdev);

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





/* 驱动入口和出口 */
module_init(newchrled_init);
module_exit(newchrled_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("LXG@firestaradmin");

六、运行测试

和之前一样，编译运行，这边APP程序直接使用上次的即可。