字符设备驱动内部实现原理解析以及分步注册流程和代码示例

1、字符设备驱动内部实现原理解析

原理：用户层调用 open() 函数打开设备文件，用ls-i查看inode号并找到与之对应的struct inode 结构体。在struct inode 结构体中，可以找到与文件关联的 struct cdev 设备驱动结构体。设备驱动结构体中包含了文件操作方法结构体的指针。根据文件打开的模式，比如读取模式、写入模式等，内核会回调操作方法结构体中相应的函数，例如 open() 函数。在设备驱动的 open() 函数中，可以进行对硬件设备寄存器的操作，以及初始化设备所需的其他操作。

open函数回调到驱动中open操作方法的路线：

open()->sys_open()->struct inode结构体->struct cdev结构体->struct file_operations结构体->mycdev_open

2、分步注册流程

（1）为字符设备驱动对象申请空间

struct cdev cdev;//直接分配一个变量空间
struct cdev *cdev=cdev_alloc();
struct cdev *cdev_alloc(void);//手动申请字符设备驱动对象空间
返回值：成功返回申请空间首地址，失败返回NULL

（2）字符设备驱动对象的初始化

 1、void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops);
    功能：实现字符设备驱动对象的部分初始化
    参数：
        cdev:字符设备驱动对象指针
        fops:操作方法结构体指针
    返回值：无
 2、 申请设备号
    int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
      功能：   静态指定设备号
      参数：
          from:要申请的设备号
          count:要申请的设备资源的数量
          name:驱动名字
       返回值：成功返回0，失败返回 错误码
     int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count,const char *name)
     功能：动态申请一定范围内的设备号
     参数：
          dev：申请的设备号填充在这个变量中
          baseminor:次设备号的起始值        
          count:要申请的设备资源的数量
          name:驱动名字
    返回值：成功返回0，失败返回 错误码

（3）将字符设备驱动对象注册进内核

int cdev_add(struct cdev *cdev, dev_t dev, unsigned count);
参数：
     cdev:字符设备驱动对象指针
     dev:申请的设备号的起始值
        count：设备数量
 返回值：成功返回0，失败返回错误码

（4）字符设备注销流程

void cdev_del(struct cdev *);
功能：字符设备驱动对象的注销
参数：字符设备驱动对象指针
返回值：无
//释放申请的设备号
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count)
功能：释放申请的设备号
参数：
    from:要释放的设备号
    count:设备的数量
返回值:无
    
void kfree(void *p)//释放对象空间
参数：
    p:对象空间首地址

3、代码示例

#include 
#include 
#include
#include
#include
#include
#include
#include"led.h"
struct cdev *cdev;
unsigned int major=500;
unsigned int minor=0;
dev_t devno;
struct class *cls;
struct device * dev;
int mycdev_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("%s:%s:%d\n",__FILE__,__func__,__LINE__);
    return 0;
}

long mycdev_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    return 0;
}
int mycdev_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("%s:%s:%d\n",__FILE__,__func__,__LINE__);
    return 0;
}
//定义操作方法结构体变量并赋值
struct file_operations fops={

    .open=mycdev_open,
   .unlocked_ioctl=mycdev_ioctl,
    .release=mycdev_close,
};

static int __init mycdev_init(void)
{
    int ret,i;
    //1.分配对象空间
    cdev=cdev_alloc();
    if(cdev==NULL)
    {
        printk("分配字符设备驱动对象失败\n");
        ret=-EFAULT;
        goto OUT1;
    }
    printk("分配对象空间成功\n");
    //2.初始化对象
    cdev_init(cdev,&fops);
    //3.申请设备号
    if(major>0)//静态指定设备号
    {
        ret= register_chrdev_region(MKDEV(major,minor),3,"myled");
        if(ret)
        {
            printk("静态指定设备号失败\n");
            goto OUT2;
        }
    }
    else if(major==0)//动态申请设备号
    {
        ret=alloc_chrdev_region(&devno,minor,3,"myled");
        if(ret)
        {
            printk("动态申请设备号失败\n");
            goto OUT2;
        }
        //获取主设备号和次设备号
        major=MAJOR(devno);
        minor=MINOR(devno);
    }
    printk("申请设备号成功\n");
    //4.注册字符设备驱动对象
    ret=cdev_add(cdev,MKDEV(major,minor),3);
    if(ret)
    {
        printk("注册字符设备驱动对象失败\n");
        goto OUT3;
    }
    printk("注册字符设备驱动对象成功\n");
    //向上提交目录
    cls=class_create(THIS_MODULE,"myled");
    if(IS_ERR(cls))
    {
        printk("向上提交目录失败\n");
        ret=-PTR_ERR(cls);
        goto OUT4;
    }
    printk("向上提交目录成功\n");
    //向上提交设备节点信息
    for(i=0;i<3;i++)
    {
         dev=device_create(cls,NULL,MKDEV(major,i),NULL,"myled%d",i);
         if(IS_ERR(dev))
         {
            ret=-PTR_ERR(dev);
            goto OUT5;
         }
    }
    printk("向上提交设备节点成功\n");
    //完成硬件寄存器地址的映射以及初始化
    return 0;
OUT5:
    //释放已经申请的设备节点信息
    for(--i;i>=0;i--)
    {
        device_destroy(cls,MKDEV(major,i));
    }
    //释放目录空间
    class_destroy(cls);
OUT4:
    //注销字符设备驱动对象
    cdev_del(cdev);
OUT3:
    //释放设备号
    unregister_chrdev_region(MKDEV(major,minor),3);
OUT2:
//释放对象空间
    kfree(cdev);
OUT1:
    return ret;
}
static void __exit mycdev_exit(void)
{
    //销毁设备节点
    int i;
    for(i=0;i<3;i++)
    {
        device_destroy(cls,MKDEV(major,i));
    }
    //释放目录空间
    class_destroy(cls);
    //1.注销字符设备驱动对象
     cdev_del(cdev);
    //2.释放设备号
     unregister_chrdev_region(MKDEV(major,minor),3);
    //3.释放对象空间
     kfree(cdev);
}
module_init(mycdev_init);
module_exit(mycdev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");