一、为什么需要设备号

在上一节中，已经看到 /dev 目录下包含大量设备文件。例如：

ls -l /dev/null /dev/tty0 /dev/mmcblk0

示例输出：

crw-rw-rw- 1 root root   1,   3 12月  9 19:02 /dev/null
crw--w---- 1 root tty    4,   0 12月  9 19:02 /dev/tty0
brw-rw---- 1 root disk 179,   0 12月  9 19:02 /dev/mmcblk0

其中有两个重要信息：

• 第一列首字符：c 表示字符设备，b 表示块设备。
• 倒数第三、倒数第二列两个数字：例如 1, 3、4, 0、179, 0。

这两个数字组合在一起，构成该设备的设备号（device number）：

• 前一个数字是主设备号（major number）。
• 后一个数字是次设备号（minor number）。

当用户空间程序执行：

int fd = open("/dev/tty0", O_RDWR);

内核需要根据 /dev/tty0 找到对应的驱动以及具体设备实例。 设备号在这里起到了桥梁作用：

• 通过主设备号确定由哪个驱动负责处理；
• 通过次设备号确定该驱动下的哪一个设备实例。

可以概括为：

设备号用于实现 “ 设备文件 ↔ 驱动程序 ↔ 具体设备实例 ” 的映射。

二、主设备号与次设备号

1. 主设备号(major number)

主设备号的作用是标识设备所属的驱动或设备类别。

• 在内核内部，字符设备子系统会维护按主设备号索引的表结构。
• 每个主设备号与某个驱动（或某个子系统）相关联。
• 当内核解析 /dev/xxx 的设备号时，会根据主设备号找到对应驱动的入口。

例如（以 /proc/devices 为例）：

cat /proc/devices

输出（节选）：

lckfb@linaro-alip:~$ cat /proc/devices
Character devices:
  1 mem
  4 /dev/vc/0
  4 tty
  4 ttyS
  5 /dev/tty
  5 /dev/console
  5 /dev/ptmx
  7 vcs
 10 misc
 13 input
 81 video4linux
 89 i2c
 90 mtd
.......................

说明：

• 字符设备主设备号 4 对应 tty 类设备。
• 块设备主设备号 13 对应 input 设备（鼠标/键盘）。

主设备号的范围和分配策略由内核维护，部分主设备号在文档中有约定用途，其他范围可供动态分配给各种驱动。

2. 次设备号(minor number)

次设备号用于标识同一主设备号下的不同设备实例。

• 一个驱动（对应某个主设备号）可以管理多路设备。
• 每一路设备具有不同次设备号，用于区分。

例如，假设某字符设备驱动使用主设备号 240，并管理两个实例：

• /dev/mychar0：主设备号 240，次设备号 0 → <240, 0>
• /dev/mychar1：主设备号 240，次设备号 1 → <240, 1>

驱动在处理 open / read / write 等操作时，可以根据次设备号选择对应的数据结构或硬件资源。

我们继续来看 tty 串口的例子：

lckfb@linaro-alip:~$ ls -l /dev/tty*
crw-rw-rw- 1 root  tty       5,  0 12月 9日 19:02 /dev/tty
crw--w---- 1 root  tty       4,  0 12月 9日 19:02 /dev/tty0
crw--w---- 1 root  tty       4,  1 12月 9日 19:02 /dev/tty1
crw--w---- 1 root  tty       4, 10 12月 9日 19:02 /dev/tty10
crw--w---- 1 root  tty       4, 11 12月 9日 19:02 /dev/tty11
crw--w---- 1 root  tty       4, 12 12月 9日 19:02 /dev/tty12
crw--w---- 1 root  tty       4, 13 12月 9日 19:02 /dev/tty13
crw--w---- 1 root  tty       4, 14 12月 9日 19:02 /dev/tty14
crw--w---- 1 root  tty       4, 15 12月 9日 19:02 /dev/tty15
........

我们的串口资源有这么多同一个串口类型的设备，可能有几十上百个，主次结合就能很快定位：

• 主设备号确定设备的类型为串口设备
• 次设备号确定为串口设备下面的那个设备

tty10：

• 主设备号为 4
• 次设备号为 10

tty11：

• 主设备号为 4
• 次设备号为 11

tty12：

• 主设备号为 4
• 次设备号为 12

……

三、设备号的数据类型与布局

在内核中，设备号使用 dev_t 类型表示。 在多数架构上，它是一个 32 位无符号整数，其位布局大致为：

• 高 12 位：主设备号
• 低 20 位：次设备号

即：

• 主设备号理论范围：0 ~ 2¹² - 1（0 ~ 4095）
• 次设备号理论范围：0 ~ 2²⁰ - 1（0 ~ 1,048,575）

内核提供了一组宏用于操作 dev_t：

MAJOR(dev_t dev);  // 从 dev 中取得主设备号
MINOR(dev_t dev);  // 从 dev 中取得次设备号
MKDEV(unsigned int major, unsigned int minor); // 构造 dev_t

典型用法示例：

dev_t dev;

/* 由主设备号 240、次设备号 0 构造一个 dev_t */
dev = MKDEV(240, 0);

/* 提取主、次设备号 */
unsigned int ma = MAJOR(dev);
unsigned int mi = MINOR(dev);

在字符设备驱动中，通常会定义：

static dev_t dev_num;  // 完整设备号
static int major;      // 主设备号
static int minor = 0;  // 起始次设备号

四、设备号的两种分配

在编写字符设备驱动时，驱动需要向内核登记自己要使用的设备号范围。 这一过程与后续的 cdev 注册、/dev 节点创建是分离的，本节仅讨论设备号本身的注册与释放。

内核提供了两种常用方式：

1. 静态注册（指定主设备号）：register_chrdev_region
2. 动态分配（自动分配主设备号）：alloc_chrdev_region

1. 静态注册

驱动可以直接指定期望使用的主设备号和起始次设备号，然后向内核注册：

static dev_t dev_num;
static int major = 240;  /* 希望使用主设备号 240 */
static int minor = 0;    /* 起始次设备号 */

static int __init mydrv_init(void)
{
    int ret;

    dev_num = MKDEV(major, minor);

    /* 注册从 dev_num 开始，连续 1 个设备号 */
    ret = register_chrdev_region(dev_num, 1, "mychar_static");
    if (ret < 0) {
        pr_err("register_chrdev_region failed\n");
        return ret;
    }

    pr_info("mychar_static: registered with major=%d, minor=%d\n",
            MAJOR(dev_num), MINOR(dev_num));

    return 0;
}

static void __exit mydrv_exit(void)
{
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
}

说明：

• register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name);
  • from：起始设备号（包含主、次设备号）。
  • count：连续设备号的数量。
  • name：名称，用于 /proc/devices 等位置显示。
• 对于字符设备，主设备号必须尚未被其他驱动使用。

适用场景：

• 某些需要固定主设备号的旧系统或特定应用场景。

局限性：

• 需要开发者手动选择主设备号，并确保不与系统中已有设备冲突。
• 在不同内核版本或不同平台上，该主设备号可能已经被占用。

对于一般新开发的驱动，更推荐使用动态分配方式。

2. 动态分配

动态分配由内核选择尚未被使用的主设备号，驱动只需指定：

• 起始次设备号；
• 需要的连续设备数量；
• 名称。

static dev_t dev_num;
static int major;
static int minor = 0;

static int __init mydrv_init(void)
{
    int ret;

    /* 请求动态分配 1 个设备号，从次设备号 0 开始 */
    ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, minor, 1, "mychar_dynamic");
    if (ret < 0) {
        pr_err("alloc_chrdev_region failed\n");
        return ret;
    }

    major = MAJOR(dev_num);
    minor = MINOR(dev_num);

    pr_info("mychar_dynamic: registered with major=%d, minor=%d\n",
            major, minor);

    return 0;
}

static void __exit mydrv_exit(void)
{
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
}

说明：

• alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);
  • dev：返回的起始 dev_t。
  • baseminor：起始次设备号。
  • count：从 baseminor 开始，连续申请多少个次设备号。
  • name：设备名称标识。

优点：

• 不需要手动管理主设备号的分配。
• 跨平台、跨内核版本时更不易产生冲突。
• 是新驱动开发中推荐的做法。