Linux 字符设备驱动基础开发详解（3）—— 新字符设备驱动

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前情回顾：在 [前两节] Linux 字符设备驱动基础开发详解（1）。Linux 字符设备驱动基础开发详解（2），我们掌握了使用 register_chrdev 注册字符设备并手动使用 mknod 创建设备节点的方法。问题分析：老版本驱动开发存在两个问题，也是我们本节要解决的问题点：

1. 需要手动指定主设备号，容易与系统现有设备冲突。
2. 需要手动创建 /dev/ 下的设备节点，不符合即插即用的现代硬件理念。

学习重点：

1. 学习 Linux 推荐的新字符设备驱动 API，
2. 利用 udev/mdev 机制实现设备节点自动创建。

01：设备号的动态分配

在老版本驱动中，我们往往写死一个主设备号。在 Linux 新字符设备驱动中，推荐使用动态分配机制，由内核自动安排一个未被占用的号码。

01 动态申请设备号系统自动分配主设备号和次设备号，避免冲突。

/* * @param dev: [输出] 保存申请到的设备号 (dev_t 类型) * @param baseminor: 次设备号起始值 (通常为 0) * @param count: 申请的连续设备编号个数 * @param name: 设备名称 (显示在 /proc/devices) */intalloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, constchar *name);

2. 释放设备号模块卸载时必须释放，否则该号码将被永久占用。

voidunregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);

💡 示例代码：

/* 驱动入口逻辑 */if (major) { /* 方案 A: 开发者指定了主设备号 (静态) */    devid = MKDEV(major, 0);     register_chrdev_region(devid, 1, "test_dev");} else { /* 方案 B: 让内核动态分配 (推荐) */    alloc_chrdev_region(&devid, 0, 1, "test_dev");     major = MAJOR(devid); /* 提取主设备号 */    minor = MINOR(devid); /* 提取次设备号 */}

02 设备结构：cdev 与新注册方式

内核引入了 struct cdev 来描述一个字符设备。这是驱动开发的核心对象（在 cdev 中有两个重要的成员变量：ops 和 dev）。

cdev 结构体

位于 include/linux/cdev.h：

structcdev {structkobjectkobj;// 内核对象基类structmodule *owner;// 所属模块，一般为 THIS_MODULEconststructfile_operations *ops;// 文件操作函数集合structlist_headlist;dev_t dev;                 // 设备号unsignedint count;};

操作流程

1. **初始化 (cdev_init)**：将 cdev 结构体与 file_operations 绑定。
2. **添加 (cdev_add)**：将初始化好的设备注册到内核中。
3. **删除 (cdev_del)**：驱动卸载时从内核移除。

/* 初始化：绑定 fops */cdev_init(&testdev.cdev, &test_fops);testdev.cdev.owner = THIS_MODULE;/* 添加：注册到内核 */cdev_add(&testdev.cdev, testdev.devid, 1);/* 卸载：从内核移除 */cdev_del(&testdev.cdev);

⚠️ 03 设备节点创建

udev 与 mdev 机制（用户程序）

在现代 Linux 中，我们希望驱动加载后，/dev 目录下自动生成设备文件（节点）。这个工作不是驱动直接做的，而是由用户空间的守护进程（桌面系统是 udev，嵌入式系统通常是 mdev）完成的。

核心逻辑

1. 驱动程序：向内核注册设备。
2. Sysfs 文件系统：内核会在 /sys/class/ 目录下导出设备信息。
3. **User Space (udev/mdev)**：检测到 /sys 下的变化，根据信息自动执行 mknod 创建 /dev/xxx 节点。

Class 的作用

Class (类) 是一个逻辑上的容器。它将具有相似功能的设备归类（例如 input 类包含鼠标和键盘）。

• 如果不创建 Class：内核不知道该设备属于哪一类，也不会在 /sys/class 下生成对应目录。
• 结果：udev 检测不到事件，也就不会自动创建设备节点。

💡 示例代码

/* 1. 创建类：在 /sys/class/ 下生成目录 */structclass *cls = class_create(THIS_MODULE, "my_led_class");/* 2. 创建设备：在类目录下创建具体设备信息，触发 udev 事件 */structdevice *dev = device_create(cls, NULL, devid, NULL, "newchrled");// "newchrled" 就是最终生成的 /dev/newchrled 文件名

04 面向“硬件设备对象”

C 语言中的“面向对象”

在驱动开发中，我们通常会定义一个结构体来包含设备的所有属性（设备号、寄存器基地址、状态等）：

structnewchrled_dev {dev_t devid;structcdevcdev;void __iomem *reg_base; // 寄存器地址int led_status;};structnewchrled_devmy_led;// 实例化一个设备对象

💡 示例代码

/* 打开设备 */staticintled_open(struct inode *inode, struct file *filp){/* ⚠️ 将设备结构体指针绑定到文件私有数据中 */    filp->private_data = &newchrled; return0;}/* 写设备 */staticssize_tled_write(struct file *filp, constchar __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt){/* ⚠️ 从私有数据中提取设备结构体，不需要使用全局变量 */structnewchrled_dev *dev = (structnewchrled_dev *)filp->private_data;// 之后就可以使用 dev->reg_base 来操作硬件了return0;}

⚠️疑问：为什么 open 函数里要设置 private_data？

private_data 的作用

open 函数是应用程序和驱动交互的第一个接口。

1. 设置私有数据：在 open 中，我们将 my_led 的指针赋值给 file->private_data。
2. 传递上下文：当应用程序后续调用 read 或 write 时，内核只传递 struct file *filp。
3. 获取设备对象：驱动程序通过读取 filp->private_data，就能立刻找到这就是 my_led 设备，从而操作其内部成员。

💡 注：如果驱动支持多个 LED 灯（led1, led2），使用 private_data 可以确保你操作的是正确的那一个设备，而不需要使用全局变量。

05 完整驱动代码 (IMX6ULL LED)

#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"/* 设备名 */#define LEDOFF          0           /* 关灯 */#define LEDON           1           /* 开灯 *//* 寄存器物理地址 (以 IMX6ULL 为例) */#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 */staticvoid __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;staticvoid __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;staticvoid __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;staticvoid __iomem *GPIO1_DR;staticvoid __iomem *GPIO1_GDIR;/* newchrled 设备结构体 */structnewchrled_dev {dev_t devid;            /* 设备号 */structcdevcdev;/* cdev 核心结构 */structclass *class;/* 类 */structdevice *device;/* 设备 */int major;              /* 主设备号 */int minor;              /* 次设备号 */};structnewchrled_devnewchrled;/* 实例化设备对象 *//* LED 硬件控制函数 */voidled_switch(u8 sta){    u32 val = 0;if (sta == LEDON) {        val = readl(GPIO1_DR);        val &= ~(1 << 3);   /* bit3 清零，低电平导通 */        writel(val, GPIO1_DR);    } elseif (sta == LEDOFF) {        val = readl(GPIO1_DR);        val |= (1 << 3);    /* bit3 置一，高电平关闭 */        writel(val, GPIO1_DR);    }}/*  * @brief open 函数初始化 file 结构的  * private_data，指向我们的设备结构体 */staticintled_open(struct inode *inode, struct file *filp){    filp->private_data = &newchrled; return0;}staticssize_tled_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt){return0;}/*  * @brief write 函数, 从用户空间接收数 * 据，控制 LED */staticssize_tled_write(struct file *filp, constchar __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt){int retvalue;unsignedchar databuf[1];unsignedchar ledstat;// 在复杂驱动中，通过 filp->private_data 获取设备指针是标准做法// struct newchrled_dev *dev = (struct newchrled_dev *)filp->private_data;    retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);if (retvalue < 0) {        printk("kernel write failed!\r\n");return -EFAULT;    }    ledstat = databuf[0];if (ledstat == LEDON) {        led_switch(LEDON);    } elseif (ledstat == LEDOFF) {        led_switch(LEDOFF);    }return0;}staticintled_release(struct inode *inode, struct file *filp){return0;}/* 文件操作集合 */staticstructfile_operationsnewchrled_fops = {    .owner = THIS_MODULE,    .open = led_open,    .read = led_read,    .write = led_write,    .release = led_release,};/* 驱动入口函数 */staticint __init led_init(void){    u32 val = 0;/* 1. 硬件初始化：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. 硬件初始化：时钟与 GPIO 配置 (省略具体位操作细节，保持代码整洁) */    val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);    val &= ~(3 << 26);    val |= (3 << 26);    writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);    writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);    writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);    val = readl(GPIO1_GDIR);    val &= ~(1 << 3);    val |= (1 << 3);    writel(val, GPIO1_GDIR);    val = readl(GPIO1_DR);    val |= (1 << 3);    writel(val, GPIO1_DR);/* 3. 注册字符设备驱动 */// 3.1 申请设备号if (newchrled.major) {        newchrled.devid = MKDEV(newchrled.major, 0);        register_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);    } else {        alloc_chrdev_region(&newchrled.devid, 0, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);        newchrled.major = MAJOR(newchrled.devid);        newchrled.minor = MINOR(newchrled.devid);    }    printk("newcheled major=%d, minor=%d\r\n", newchrled.major, newchrled.minor);// 3.2 初始化 cdev    newchrled.cdev.owner = THIS_MODULE;    cdev_init(&newchrled.cdev, &newchrled_fops);// 3.3 添加 cdev    cdev_add(&newchrled.cdev, newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT);/* 4. 自动创建设备节点 (核心步骤) */// 4.1 创建类 (/sys/class/newchrled)    newchrled.class = class_create(THIS_MODULE, NEWCHRLED_NAME);if (IS_ERR(newchrled.class)) {return PTR_ERR(newchrled.class);    }// 4.2 创建设备 (/dev/newchrled)    newchrled.device = device_create(newchrled.class, NULL, newchrled.devid, NULL, NEWCHRLED_NAME);if (IS_ERR(newchrled.device)) {return PTR_ERR(newchrled.device);    }return0;}/* 驱动出口函数 */staticvoid __exit led_exit(void){/* 1. 取消映射 */    iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);    iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);    iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);    iounmap(GPIO1_DR);    iounmap(GPIO1_GDIR);/* 2. 销毁设备与类 (顺序：先设备，后类) */    device_destroy(newchrled.class, newchrled.devid);    class_destroy(newchrled.class);/* 3. 删除 cdev 与释放设备号 */    cdev_del(&newchrled.cdev);    unregister_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT);}module_init(led_init);module_exit(led_exit);MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("YourName");

06 测试验证

编译加载驱动后，无需手动 mknod，可直接检查：

# 加载驱动modprobe newchrled.ko# 查看 /dev 目录是否存在节点ls /dev/newchrled -l# 预期输出: crw------- 1 root root 249, 0 ... (249 是自动分配的主设备号)# 运行测试 APP./ledApp /dev/newchrled 1  # 开灯./ledApp /dev/newchrled 0  # 关灯