新字符设备驱动
新字符设备驱动
一、旧字符驱动回顾
- register_chrdev ： 注册字符设备。
- unregister_chrdev: 注销字符设备。
- mknod ：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。
二、新字符设备驱动原理
2.1 **register_chrdev (旧)**注册字符设备存在的问题
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：
-
需要我们事先确定好哪些主设备号没有使用。
-
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都全部被LED 一个设备分走了。这样太浪费设备号了。
一个LED 设备肯定只能有一个主设备号，一个次设备号。
2.2 解决设备号问题
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
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
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)
- 参数from ： 要申请的起始设备号，也就是给定的设备号；
- 参数count : 要申请的数量，一般都是一个；
- 参数name ：是设备名字
2.3 释放设备号
注销字符设备之后就要释放掉设备号，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)
2.4 新字符设备驱动下，设备号分配示例
int major = 0; //主设备号
int minor = 0; //次设备号
dev_t devid = 0; //设备号
if (major) //定义了设备号
{
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); //获取主设备号
minor = MINOR(devid); //获取次设备号
}
三、新字符设备注册
3.1 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;
};
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files_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，这个变量就是表示一个字符设备。
struct cdev test_cdev;
3.2 字符设备结构初始化
定义好cdev 变量以后就要使用cdev_init 函数对齐进行初始化，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。
3.3 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 ： 设备所使用的设备号。
- 参数count ：要添加的设备数量。
设备号申请，cdev_init ,cdev_add 一起实现了函数register_chrdev 的功能。
3.4 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
四、自动创建设备节点
在之前的字符驱动实验中，当我们使用modprobe 命令加载驱动程序以后，还需要使用命令 mknod 手动创建设备节点。
本节介绍如何在使用modprobe 加载驱动模块成功之后，自动在/dev 目录下创建对应的设备文件。
4.1 udev 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。我们重点来学习一个如何通过mdev 来实现设备文件节点的自动创建与删除。
4.2 创建类
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 是一个结构体，定义在文件include/linux/device.h 里面。class_create 是类创建函数，内容如下：
#define class_create(owner, name) \
({ \
static struct lock_class_key __key; \
__class_create(owner, name, &__key); \
})
- 参数 owner : 一般为THIS_MODULE。
- 参数 name ：是类名字。
- 返回值：是一个指向结构体class 的指针，也就是创建的类
4.3 删除类
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);
4.4 创建设备
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 函数定义如下：
struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent,
dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...)
{
va_list vargs;
struct device *dev;
va_start(vargs, fmt);
dev = device_create_vargs(class, parent, devt, drvdata, fmt, vargs);
va_end(vargs);
return dev;
}
device_create 是一个可变参数函数。
- 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。
4.5 删除设备
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
void device_destroy(struct class *class, dev_t devt)
{
struct device *dev;
dev = class_find_device(class, NULL, &devt, __match_devt);
if (dev) {
put_device(dev);
device_unregister(dev);
}
}
- 参数 class : 是要删除的设备所处的类。
- 参数 devt : 是要删除的设备号。
4.6 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：
struct class* class; //类
struct device* device; //设备
dev_t devid; //设备号
//驱动入口函数
static int __init led_init(void)
{
//创建类
class = class_create(THIS_MODULE,"xxx");
//创建设备
device = device_create(class,NULL,devid,NULL,"xxx");
return 0;
}
//驱动出口函数
static void __exit led_exit(void)
{
//删除设备
device_destroy(class,devid);
//删除类
class_destroy(class);
}
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
五、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
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
};
struct test_dev testdev;
//open 函数
static int test_open( struct inode* inode, struct file* filp)
{
//设置私有数据
filp->private_data = &testdev;
return 0;
}