By: Ailson Jack
Date: 2021.07.31
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字符设备的驱动程序开发步骤大致都是差不多的，这里绘制了一张图来形象的反应字符设备驱动程序的关键步骤：
我们创建一个字符设备的时候，首先要得到一个设备号，分配设备号的途径有静态分配和动态分配；拿到设备的唯一 ID，我们需要实现 file_operation 并保存到 cdev 中，实现 cdev 的初始化；然后我们需要将我们所做的工作告诉内核，使用 cdev_add() 注册 cdev；最后我们还需要创建设备节点，以便我们后面调用 file_operation接口。
注销设备时我们需释放内核中的 cdev，归还申请的设备号，删除创建的设备节点。
1.字符设备的定义
Linux 内核提供了两种方式来定义字符设备：
//第一种方式
static struct cdev chrdev;
//第二种方式
struct cdev *cdev_alloc(void);
struct cdev *p_cdev = cdev_alloc();
第一种方式，就是我们常见的变量定义；第二种方式，是内核提供的动态分配方式，调用该函数之后，会返回一个 struct cdev 类型的指针，用于描述字符设备。
第二种方式定义的字符设备，可以通过cdev_del函数来释放占用的内存。
2.设备号的申请和归还
2.1.设备号的静态申请
register_chrdev_region 函数用于静态地为一个字符设备申请一个或多个设备编号。
int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
参数：
- from：dev_t 类型的变量，用于指定字符设备的起始设备号，如果要注册的设备号已经被其他的设备注册了，那么就会导致注册失败；
- count：指定要申请的设备号个数， count 的值不可以太大，否则会与下一个主设备号重叠；
- name：用于指定该设备的名称，我们可以在/proc/devices 中看到该设备。
返回值：返回 0 表示申请成功，失败则返回错误码。
2.2.设备号的动态申请
使用 register_chrdev_region 函数时，都需要去查阅内核源码的 Documentation/devices.txt 文件，这就十分不方便。因此，内核又为我们提供了一种能够动态分配设备编号的方式： alloc_chrdev_region。
调用 alloc_chrdev_region 函数，内核会自动给我们分配一个尚未使用的主设备号。我们可以通过命令“cat /proc/devices”查询内核分配的主设备号。
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);
参数：
- dev：指向 dev_t 类型数据的指针变量，用于存放分配到的设备编号的起始值；
- baseminor：次设备号的起始值，通常情况下，设置为 0；
- count：指定要申请的设备号个数， count 的值不可以太大，否则会与下一个主设备号重叠；
- name：用于指定该设备的名称，我们可以在/proc/devices 中看到该设备。
返回值：返回 0 表示申请成功，失败则返回错误码。
2.3.设备号的申请(静态和动态都支持)
除了register_chrdev_region函数能够静态申请设备号，alloc_chrdev_region函数能够动态申请设备号之外，内核还提供了register_chrdev 函数用于分配设备号。该函数是一个内联函数，它不仅支持静态申请设备号，也支持动态申请设备号，并将主设备号返回。register_chrdev 函数原型如下：
static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
const struct file_operations *fops)
{
return __register_chrdev(major, 0, 256, name, fops);
}
参数：
- major：用于指定要申请的字符设备的主设备号，等价于 register_chrdev_region 函数，当设置为 0 时，内核会自动分配一个未使用的主设备号；
- name：用于指定字符设备的名称；
- fops：用于操作该设备的函数接口指针。
返回值：主设备号。
我们从以上代码中可以看到，使用 register_chrdev 函数向内核申请设备号，同一类字符设备（即主设备号相同），会在内核中申请了256 个，通常情况下，我们不需要用到这么多个设备，这就造成了极大的资源浪费。因此通常情况下，并不使用该函数。
2.4.设备号的归还
当我们删除字符设备时候，我们需要把分配的设备编号交还给内核，对于使用 register_chrdev_region 函数以及 alloc_chrdev_region 函数分配得到的设备编号，可以使用 unregister_chrdev_region 函数将分配得到的设备号归还给内核。
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
参数：
- from：指定需要注销的字符设备的设备编号起始值，我们一般将定义的 dev_t 变量作为实参；
- count：指定需要注销的字符设备编号的个数，该值应与申请函数的 count 值相等，通常采用宏定义进行管理。
3.字符设备的初始化
cdev_init()函数主要将file_operations结构体和我们的字符设备结构体相关联。
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops);
参数：
- cdev：struct cdev 类型的指针变量，指向需要关联的字符设备结构体；
- fops：file_operations 类型的结构体指针变量，一般将实现操作该设备的结构体 file_operations 结构体作为实参。
4.字符设备的注册和移除
4.1.字符设备的注册
cdev_add 函数用于向内核的 cdev_map 散列表添加一个新的字符设备。
int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);
参数：
- p：struct cdev 类型的指针，用于指定需要添加的字符设备；
- dev：dev_t 类型变量，用于指定设备的起始编号；
- count：指定注册多少个设备。
返回值：0或者错误码。
4.2.字符设备的移除
从内核中移除某个字符设备，则需要调用 cdev_del 函数。从系统中删除 cdev， cdev 设备将无法再打开，但任何已经打开的 cdev 将保持不变，即使在 cdev_del 返回后，它们的 fops 仍然可以调用。
void cdev_del(struct cdev *p);
参数：
- p：将已经注册的字符设备结构体的地址作为实参传递进去，就可以从内核中移除该字符设备了。
5.设备节点的创建和销毁
5.1.设备节点的创建
可以在代码中使用device_create函数创建设备节点。
struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent,
dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...);
参数：
- class：指向这个设备应该注册到的 struct 类的指针；
- parent：指向此新设备的父结构设备（如果有）的指针；
- devt：要添加的字符设备的设备号；
- drvdata：要添加到设备进行回调的数据；
- fmt：输入设备名称。
返回值：成功时返回 struct device 结构体指针, 错误时返回 ERR_PTR()。
5.2.设备节点的销毁
可以使用device_destroy函数来删除 device_create 函数创建的设备节点。
void device_destroy(struct class *class, dev_t devt);
参数：
- class：指向注册此设备的 struct 类的指针；
- devt：以前注册设备时，使用的设备号。
5.3.使用mknod命令创建设备节点
除了使用代码创建设备节点，还可以使用 mknod 命令创建设备节点。
用法： mknod 设备名 设备类型 主设备号 次设备号
当类型为”p”时可不指定主设备号和次设备号，否则它们是必须指定的。如果主设备号和次设备号以”0x”或”0X”开头，它们会被视作十六进制数来解析；如果以”0”开头，则被视作八进制数；其余情况下被视作十进制数。可用的设备类型包括：
- b：创建 (有缓冲的) 区块特殊文件；
- c，u：创建 (没有缓冲的) 字符特殊文件；
- p：创建先进先出 (FIFO) 特殊文件。
如： mkmod /dev/test c 2 0
创建一个字符设备/dev/test，其主设备号为 2，次设备号为 0。
当我们使用上述命令，创建了一个字符设备文件时，实际上就是创建了一个设备节点 inode 结构体，并且将该设备的设备编号记录在成员i_rdev，将成员 f_op 指针指向了 def_chr_fops 结构体。这就是 mknod 负责的工作内容。
inode 上的 file_operation 并不是自己构造的 file_operation，而是字符设备通用的 def_chr_fops，那么自己构建的 file_operation 等在应用程序调用 open 函数之后，才会绑定在文件上。
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