目录
前言
在上两讲内容里：我们已经掌握了 Linux 字符设备驱动开发的基本步骤。
驱动开发篇3——字符设备驱动开发实验
驱动开发篇4——LED 驱动开发实验
使用 register_chrdev 函数注册字符设备，使用unregister_chrdev 函数注销字符设备，但这两个函数是老版本驱动使用的函数。
本讲实验里，我们就来学习一下如何编写新字符设备驱动，使用Linux内核推荐的新字符设备驱动API函数，在驱动模块加载的时候自动创建设备节点文件。
新字符设备驱动原理
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。
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。
申请设备号
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)参数 |
类型 |
说明 |
|---|---|---|
|
|
输出参数，存储分配到的设备号（主设备号 + 次设备号）。 |
|
|
起始次设备号（通常为 |
|
|
要连续分配的次设备号数量（如 |
|
|
设备名称（出现在 |
示例代码：
dev_t devno; // 存储分配到的设备号
int ret;
// 动态分配设备号（主设备号自动分配，次设备号从 0 开始）
ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "my_device");
if (ret < 0) {
printk(KERN_ERR "Failed to allocate device number\n");
return ret;
}注册设备号
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 |
类型 |
说明 |
|---|---|---|
|
|
起始设备号（包含主设备号和次设备号，用 |
|
|
要连续注册的次设备号数量（如 |
|
|
设备名称（出现在 |
示例代码：
dev_t devno;
int ret;
// 生成设备号（主设备号250，次设备号0）
devno = MKDEV(MY_MAJOR, MY_MINOR);
// 静态注册设备号（注册1个次设备号）
ret = register_chrdev_region(devno, 1, "my_device");
if (ret < 0) {
printk(KERN_ERR "Failed to register device number\n");
return ret;
}释放设备号
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)参数 |
类型 |
说明 |
|---|---|---|
|
|
起始设备号（需与注册时一致，用 |
|
|
要释放的连续次设备号数量（需与注册时一致）。 |
示例代码：
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 */
}
...
unregister_chrdev_region(devid, 1); /* 注销设备号 */注册方法
字符设备结构cdev
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; // 内嵌的 kobject（用于设备模型）
struct module *owner; // 指向所属模块的指针（通常为 THIS_MODULE）
const struct file_operations *ops; // 设备操作函数集（如 open、read、write）
struct list_head list; // 链表节点（用于管理所有 cdev）
dev_t dev; // 设备号（主设备号 + 次设备号）
unsigned int count; // 关联的次设备号数量
};成员 |
类型 |
说明 |
|---|---|---|
|
|
内嵌的内核对象，用于设备模型和 sysfs 交互。 |
|
|
指向拥有该设备的模块（通常设为 |
|
|
设备操作函数集（如 |
|
|
链表节点，内核通过此字段管理所有注册的 |
|
|
设备号（通过 |
|
|
设备关联的次设备号数量（通常为 1）。 |
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 |
类型 |
说明 |
|---|---|---|
|
|
要初始化的 |
|
|
设备操作函数集（如 |
示例代码：
struct cdev my_cdev;
cdev_init(&my_cdev, &my_fops); // 绑定 file_operations
my_cdev.owner = THIS_MODULE; // 设置所属模块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 |
类型 |
说明 |
|---|---|---|
|
|
已通过 |
|
|
设备号（主设备号 + 起始次设备号，用 |
|
|
连续分配的次设备号数量（通常为 |
示例代码：
cdev_add(&testcdev, devid, 1); /* 添加字符设备 */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 |
类型 |
说明 |
|---|---|---|
|
|
要注销的 |
示例代码：
#include <linux/cdev.h>
static struct cdev my_cdev;
static dev_t devno;
static int __init my_init(void) {
// 1. 分配设备号（动态或静态）
int ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "mydev");
if (ret < 0) return ret;
// 2. 初始化 cdev
cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
// 3. 注册到内核
ret = cdev_add(&my_cdev, devno, 1);
if (ret < 0) {
unregister_chrdev_region(devno, 1); // 失败时释放设备号
return ret;
}
// 4. 创建设备节点（可选，udev 可能自动创建）
device_create(my_class, NULL, devno, NULL, "mydev");
return 0;
}
static void __exit my_exit(void) {
device_destroy(my_class, devno); // 移除设备节点
cdev_del(&my_cdev); // 注销 cdev
unregister_chrdev_region(devno, 1); // 释放设备号
}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。
那么如何实现自动创建设备节点呢？怎么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。
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。
mdev 核心功能：
- 动态创建设备节点：在 /dev目录下自动生成设备文件（如 /dev/sda1）。
- 响应热插拔事件：处理设备插入（add）、移除（remove）等事件。
- 轻量级：BusyBox 的一部分，适合嵌入式系统。
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。
类创建函数
class_create 是类创建函数， class_create 是个宏定义，内容如下：
#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)将宏 class_create 展开以后内容如下：
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
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。
示例代码：
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);
}创建设备函数
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, // 所属的设备类（由 class_create 创建）
struct device *parent, // 父设备（通常为 NULL）
dev_t devt, // 设备号（主设备号 + 次设备号）
void *drvdata, // 驱动私有数据（可传递到驱动的 file_operations）
const char *fmt, ... // 设备名称（支持格式化字符串，如 "mydevice%d"）
);参数 |
类型 |
说明 |
|---|---|---|
|
|
设备所属的类（如 |
|
|
父设备（用于设备层次结构，通常设为 |
|
|
设备号（通过 |
|
|
传递给驱动的私有数据（可在 |
|
|
设备名称（如 |
删除设备函数
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, // 设备所属的类（需与 device_create 使用的 class 一致）
dev_t devt // 设备号（需与 device_create 使用的 dev_t 一致）
);参数 |
类型 |
说明 |
|---|---|---|
|
|
设备所属的类（由 |
|
|
设备号（主设备号 + 次设备号，需与 |
示例代码：
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);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。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 字符设备结构 */
struct class *class; /* 设备类 */
struct device *device; /* 设备实例 */
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)
{
filp->private_data = &testdev; /* 设置私有数据 */
return 0;
}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。
实验程序编写
在上一讲内容的基础上修改：LED 驱动开发实验
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。
.json文件
vscode的c_cpp_properties.json文件里，头文件路径包含linux内核源码：
{
"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 灯驱动部分的程序，使用了新的字符设备驱动方法。
#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 /* 设备号个数 */
#define NEWCHRLED_NAME "newchrled" /* 名字 */
#define LEDOFF 0 /* 关灯 */
#define LEDON 1 /* 开灯 */
/* 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;
/* 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 */
};
struct newchrled_dev newchrled; /* led设备 */
/*
* @description : LED打开/关闭
* @param - sta : LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED
* @return : 无
*/
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;
}
/* 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,
};
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
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);
/* 注册字符设备驱动 */
/* 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;
}
/*
* @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 */
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);
}
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("huax");
ledApp.c
ledApp.c文件和上一讲实验的代码一致，没有修改。
#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数组元素个数
* @param - argv : 具体参数
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
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];
/* 打开led驱动 */
fd = open(filename, O_RDWR);
if(fd < 0){
printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);
return -1;
}
databuf[0] = atoi(argv[2]); /* 要执行的操作：打开或关闭 */
/* 向/dev/led文件写入数据 */
retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
if(retvalue < 0){
printf("LED Control Failed!\r\n");
close(fd);
return -1;
}
retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */
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 变量的值，改为 newchrled.o。
KERNELDIR := /home/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := newchrled.o
build: kernel_modules
kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean编译代码
运行以下命令：编译出驱动模块文件和测试 ledApp.c 测试程序。
make -j32arm-linux-gnueabihf-gcc ledApp.c -o ledApp运行测试
将编译出来的 led.ko 和 ledApp 这
ls /dev/newchrled -l两个文件拷贝到我们制作的根目录 rootfs/lib/modules/4.1.15目录中。
重启开发板，进入到目录 lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载 led.ko 驱动模块：
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe newchrled.ko //加载驱动驱动加载成功以后会输出申请到的主设备号和次设备号，如图：
可以看出，申请到的主设备号为 249，次设备号为 0。
驱动加载成功以后会自动在/dev 目录下创建设备节点文件/dev/newchrdev。
输入如下命令查看/dev/newchrdev 这个设备节点文件是否存在：
ls /dev/newchrled -l结果如图：
使用 ledApp 软件来测试驱动是否工作正常，命令如下：
./ledApp /dev/newchrled 1 //打开 LED 灯./ledApp /dev/newchrled 0 //关闭 LED 灯观察LED灯是否能够正常打开、关闭。
卸载驱动的话输入如下命令：
rmmod led.ko