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外观

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字符设备通过字符（一个接一个的字符）以流方式向用户程序传递数据，就像串行端口那样。字符设备驱动通过 /dev 目录下的特殊文件公开设备的属性和功能。字符设备在内核中表示为 struct cdev 的实例，定义在 include/linux/cdev.h 中：

c
struct cdev {
    struct kobject kobj;
    struct module *owner;
    const struct file_operations *ops;
    struct list_head list;
    dev_t dev;
    unsigned int count;
};

一、主设备和次设备的概念 ​

字符设备在 /dev 目录下，主设备号和次设备号标识设备，并将其与驱动程序进行绑定。用 ls -l 命令能够查看：

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每一列的第一个字符代表文件类型：

  • c：字符设备文件
  • b：块设备文件
  • l：符号链接
  • d：目录
  • s：套接字
  • p：命名管道

二、设备号类型 ​

申请的设备号类型为 dev_t，在 内核源码/include/linux/types.h 文件中定义如下：

c
typedef u32 __kernel_dev_t;
typedef __kernel_dev_t dev_t;

dev_t 为 u32 类型，是一个无符号的 32 位整型类型。其中：

  • 高 12 位表示主设备号
  • 低 20 位表示次设备号

在 内核源码/include/linux/kdev_t.h 中提供了设备号相关的宏定义：

c
#define MINORBITS       20
#define MINORMASK       ((1U << MINORBITS) - 1)

#define MAJOR(dev)      ((unsigned int) ((dev) >> MINORBITS))
#define MINOR(dev)      ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))
#define MKDEV(ma,mi)    (((ma) << MINORBITS) | (mi))

三、设备号的分配和释放 ​

设备号在系统范围内标识设备文件，这意味着可以有两种不同的方法来分配设备号码：

  • register_chrdev_region（静态）
  • alloc_chrdev_region（动态）

1、静态方法 ​

c
int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, const char *name);

参数：

  1. dev_t first：起始的设备号，包括主设备号和次设备号
  2. unsigned int count：需要分配的连续设备号的数量
  3. const char *name：注册的设备名称

返回值：返回 0 表示成功，如果失败返回一个负的错误码。

案例：

c
#define VIDEO_MAJOR 81
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2、动态方法 ​

alloc_chrdev_region 会自动分配一个空闲的主设备号：

c
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name)
{
    struct char_device_struct *cd;
    cd = __register_chrdev_region(0, baseminor, count, name);
    if (IS_ERR(cd))
        return PTR_ERR(cd);
    *dev = MKDEV(cd->major, cd->baseminor);
    return 0;
}

3、__register_chrdev_region 分析 ​

所有字符设备的信息（主设备号）记录在 chrdevs（全局变量）中。

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两种分配方法的区别

  • 静态方法：必须事先知道所需的设备号，仅在教学中使用。
  • 动态方法：更清晰、更安全。因为内核帮助获取一个合适的设备号，避免设备号的冲突和麻烦。

四、案例 ​

1、静态案例 ​

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2、动态案例 ​

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五、实验程序的编写 ​

源代码下载

bash
git clone git@gitee.com:yangxuesong314/linux-driver.git
  • 代码位于：linux-driver/05.字符设备驱动模型/01.主次设备号
c
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/kdev_t.h>

static int major;
static int minor;
module_param(major, int, S_IRUGO);
module_param(minor, int, S_IRUGO);
static dev_t dev_num;

static int __init dev_t_init(void)
{
    int ret;
    if (major) {
        dev_num = MKDEV(major, minor);
        printk("major is %d\n", major);
        printk("minor is %d\n", minor);
        ret = register_chrdev_region(dev_num, 1, "chrdev_name");
        if (ret < 0) {
            printk("register_chrdev_region is error\n");
        }
        printk("register_chrdev_region is ok\n");
    } else {
        ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "chrdev_num");
        if (ret < 0) {
            printk("alloc_chrdev_region is error\n");
        }
        printk("alloc_chrdev_region is ok\n");
        major = MAJOR(dev_num);
        minor = MINOR(dev_num);
        printk("major is %d\n", major);
        printk("minor is %d\n", minor);
    }
    return 0;
}

static void __exit dev_t_exit(void)
{
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
    printk("module exit \n");
}

module_init(dev_t_init);
module_exit(dev_t_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");

六、实验程序的运行 ​

insmod char.ko

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insmod char.ko major=200 minor=0

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