【北京迅为】《STM32MP157开发板嵌入式开发指南》- 第四十五章 注册字符类设备

iTOP-STM32MP157开发板采用ST推出的双核cortex-A7+单核cortex-M4异构处理器，既可用Linux、又可以用于STM32单片机开发。开发板采用核心板+底板结构，主频650M、1G内存、8G存储，核心板采用工业级板对板连接器，高可靠，牢固耐用，可满足高速信号环境下使用。共240PIN，CPU功能全部引出:底板扩展接口丰富底板板载4G接口(选配)、千兆以太网、WIFI蓝牙模块HDMI、CAN、RS485、LVDS接口、温湿度传感器(选配)光环境传感器、六轴传感器、2路USB OTG、3路串口，CAMERA接口、ADC电位器、SPDIF、SDIO接口等

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第 四十五 章 注册字符类设备

本章导读

在整个Linux设备驱动的学习中，字符设备驱动较为基础。本章将讲解注册字符类设备的编程方法。

45.1章节讲解了注册字符设备的基本步骤

45.2章节编写注册字符设备的驱动程序

45.3章节编写应用层测试程序

45.4章节编译驱动程序为驱动模块

本章内容对应视频讲解链接（在线观看）：

注册字符类设备 → https://www.bilibili.com/video/BV1Vy4y1B7ta?p=16

程序源码在网盘资料"iTOP-STM32MP157开发板网盘资料汇总\09_嵌入式Linux开发指南(iTOP-STM32MP157)手册配套资料\驱动程序例程\08-注册字符类设备"路径下。

45 .1 注册字符类设备 简介

在Linux内核中，使用cdev结构体描述一个字符设备，cdev结构体的定义如下：

struct cdev {   //描述字符设备的一个结构体
    struct kobject kobj;
    struct module *owner;
    const struct file_operations *ops;
    struct list_head list;
    dev_t dev;
    unsigned int count;
};

cdev结构体的dev_t成员定义了设备号，为32位，其中12位为主设备号，20位为次设备号。使用下列宏可以从dev_t获得主设备号和次设备号：

而使用下列宏则可以通过主设备号和次设备号生成dev_t

MKDEV(int major, int minor)

cdev结构体的另一个重要成员file_operations定义了字符设备驱动提供给虚拟文件系统的接口函数。

Linux内核提供了一组函数以用于操作cdev结构体：

void cdev_init(struct cdev *, struct file_operations *);
struct cdev *cdev_alloc(void);
void cdev_put(struct cdev *p);
int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned);
void cdev_del(struct cdev *);

cdev_add（）函数和cdev_del（）函数分别向系统添加和删除一个cdev，完成字符设备的注册和注销。对cdev_add（）的调用通常发生在字符设备驱动模块加载函数中，而对cdev_del（）函数的调用则通常发生在字符设备驱动模块卸载函数中。

|-------|------------------------------------------------------------------|
| 函数 | void cdev_init(struct cdev *, const struct file_operations *); |
| 第一个参数 | 要初始化的cdev |
| 第二个参数 | 文件操作集 cdev->ops = fops; //实际就是把文件操作集写给ops |
| 功能 | cdev_init（）函数用于初始化cdev的成员，并建立cdev和file_operations之间的连接。 |

|-------|------------------------------------------------|
| 函数 | int cdev_add(struct cdev *, dev_t, unsigned); |
| 第一个参数 | cdev的结构体指针 |
| 第二个参数 | 设备号 |
| 第三个参数 | 次设备号的数量 |
| 功能 | cdev_add()函数用于动态申请一个cdev内存。 |

|-------|--------------------------------|
| 函数 | void cdev_del(struct cdev *); |
| 第一个参数 | cdev的结构体指针 |

生成设备节点

字符设备注册完以后不会自动生成设备节点。我们需要使用mknod命令创建一个设备节点

格式：mknod 名称 类型 主设备号 次设备号

举例：

mknod /dev/test c 247 0

/*
 * @Descripttion: 注册字符设备
 */
#include <linux/init.h>   //初始化头文件
#include <linux/module.h> //最基本的文件，支持动态添加和卸载模块。
#include <linux/fs.h>     //包含了文件操作相关struct的定义，例如大名鼎鼎的struct file_operations
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/cdev.h>        // 对字符设备结构cdev以及一系列的操作函数的定义。包含了cdev 结构及相关函数的定义。
#define DEVICE_NUMBER 1        //定义次设备号的个数
#define DEVICE_SNAME "schrdev" //定义静态注册设备的名称
#define DEVICE_ANAME "achrdev" //定义动态注册设备的名称
#define DEVICE_MINOR_NUMBER 0  //定义次设备号的起始地址

static int major_num, minor_num; //定义主设备号和次设备号

struct cdev cdev;                      //定义一个cdev结构体
module_param(major_num, int, S_IRUSR); //驱动模块传入普通参数major_num
module_param(minor_num, int, S_IRUSR); //驱动模块传入普通参数minor_num

int chrdev_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("chrdev_open\n");
    return 0;
}
// file_operations chrdev_ops
struct file_operations chrdev_ops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = chrdev_open};

static int hello_init(void)
{
    dev_t dev_num;
    int ret; //函数返回值

    if (major_num)
    {
        /*静态注册设备号*/
        printk("major_num = %d\n", major_num); //打印传入进来的主设备号
        printk("minor_num = %d\n", minor_num); //打印传入进来的次设备号

        dev_num = MKDEV(major_num, minor_num);                              //MKDEV将主设备号和次设备号合并为一个设备号
        ret = register_chrdev_region(dev_num, DEVICE_NUMBER, DEVICE_SNAME); //注册设备号
        if (ret < 0)
        {
            printk("register_chrdev_region error\n");
        }
        printk("register_chrdev_region ok\n"); //静态注册设备号成功
    }
    else
    {
        /*动态注册设备号*/
        ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, DEVICE_MINOR_NUMBER, 1, DEVICE_ANAME);
        if (ret < 0)
        {
            printk("alloc_chrdev_region error\n");
        }
        printk("alloc_chrdev_region ok\n"); //动态注册设备号成功

        major_num = MAJOR(dev_num);            //将主设备号取出来
        minor_num = MINOR(dev_num);            //将次设备号取出来
        printk("major_num = %d\n", major_num); //打印传入进来的主设备号
        printk("minor_num = %d\n", minor_num); //打印传入进来的次设备号
    }
    cdev.owner = THIS_MODULE;
    //cdev_init函数初始化cdev结构体成员变量
    cdev_init(&cdev, &chrdev_ops);
    //完成字符设备注册到内核
    cdev_add(&cdev, dev_num, DEVICE_NUMBER);
    return 0;
}

static void hello_exit(void)
{

    unregister_chrdev_region(MKDEV(major_num, minor_num), DEVICE_NUMBER); //注销设备号
    cdev_del(&cdev);
    printk("gooodbye! \n");
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

45 . 3 编写应用程序

编写应用程序如下所示：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc,char *argv[])
{
    int fd;
    char buf[64] = {0};
    fd = open("/dev/test",O_RDWR);  //打开设备节点
    if(fd < 0)
    {
        perror("open error \n");
        return fd;
    }
    //read(fd,buf,sizeof(buf)); //从文件中读取数据放入缓冲区中
    close(fd);
    return 0;
}

我们将app.c文件拷贝到Ubuntu的/home/nfs/11目录下，输入以下命令编译app.c，可以参考本手册"35.2.4设置交叉编译器"章节设置编译器，生成的app，如下所示：

arm-none-linux-gnueabihf-gcc -o app app.c

45.4 开发板实验

将刚刚45.2章节编写的驱动代码编译成模块。将上次编译chrdev.c的Makefile文件拷贝到chrdev.c同级目录下，文件如下图所示：

驱动编译成功如下图所示：

驱动编译成功如下图所示：

我们通过nfs将编译好的驱动程序加载模块，进入共享目录，加载驱动模块如下图所示：

insmod chrdev.ko

从上图可知，动态申请好了字符设备号，主设备号是239，次设备号是0。但是我们想要验证我们的字符设备是否注册成功，需要运行应用程序。我们输入"mknod /dev/test c 239 0"创建设备节点,然后再运行45.3章节编译好的APP应用程序，如下图所示：

如上图所示，应用程序APP成功地打开了设备节点，说明字符设备注册成功。