一、新字符设备驱动原理
1.1 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
解决办法就是在要使用设备号的时候向 Linux 内核申请。
如果没有指定设备号的话就使用如下函数来申请设备号，定义在 /fs/char_dev.c 中文件中：
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
在注册字符设备之前先申请一个设备号，系统会自动给你一个没有被使用的设备号。
dev：保存申请到的设备号。
baseminor：次设备号起始地址，alloc_chrdev_region 可以申请一段连续的多个设备号，这些设备号的主设备号一样，但是次设备号不同，次设备号以 baseminor 为起始地址地址开始递增。一般 baseminor 为 0，也就是说次设备号从 0 开始。
count：要申请的设备号数量。
name：设备名字。
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，定义在 /fs/char_dev.c 中文件中：
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，定义在 /fs/char_dev.c 中文件中：
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：
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 */
}
1.2 新的字符设备注册方法
1、字符设备结构
Linux 中使用 cdev 结构体表示一个字符设备，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 file_operations 以及设备号 dev_t。
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 函数原型定义在 /fs/char_dev.c 中，如下：
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
cdev参数是要初始化的 cdev 结构体变量，fops参数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：
struct cdev testcdev;
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations test_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
/* 其他具体的初始项 */
};
testcdev.owner = THIS_MODULE;
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 函数原型定义在 /fs/char_dev.c 文件中，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。
加入 cdev_add 函数示例代码如下所示：
struct cdev testcdev;
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations test_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
/* 其他具体的初始项 */
};
testcdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&testcdev, &test_fops); /* 初始化 cdev 结构体变量 */
cdev_add(&testcdev, devid, 1); /* 添加字符设备 */
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。新字符设备驱动可以自动创建设备节点。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。
2.1 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。
2.2 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：
#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)
根据上述代码，将宏 class_create 展开以后内容如下：
struct class *class_create (struct module *owner, const char *name)
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，函数如下：
void class_destroy(struct class *cls);
参数 cls 就是要删除的类。
2.3 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 就是设备要创建在哪个类下面；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，会生成/dev/xxx 这个设备文件。返回值是创建好的设备。
同样的，卸载驱动的时候需要删除创建的设备，删除函数为 device_destroy，函数原型如下：
void device_destroy(struct class *class, dev_t devt)
参数 class 是要删除的设备所处的类，参数 devt 是要删除的设备号。
2.4 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，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(newchrled.class, newchrled.devid);
/* 删除类 */
class_destroy(newchrled.class);
}
module_init(led_init);
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 */
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 */
int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */
struct cdev cdev; /* cdev */
struct class *class; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
};
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。
四、新字符设备驱动模板
新建 newchrled.c 文件，在 newchrled.c 里面输入如下内容：
#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 /* 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 */
int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */
struct cdev cdev; /* cdev */
struct class *class; /* 类 */
struct device *device;/* 设备 */
};
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 : 驱动入口函数
* @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 */
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); /* 获取主设备号 */
newchrled.minor = MINOR(newchrled.devid); /* 获取次设备号 */
}
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 */
cdev_del(&newchrled.cdev); /* 删除 cdev */
unregister_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT);
device_destroy(newchrled.class, newchrled.devid);
class_destroy(newchrled.class);
}
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");
总结：
第一步：使用 register_chrdev_region() 或 alloc_chrdev_region() 申请
设备号。
第二步：使用 cdev_init() 初始化 cdev 结构体(主要是 dev 和 ops 成员变量)
第三步：使用 cdev_add() 向内核注册驱动
第四步：创建类
第五步：创建设备