一、设备相关概念

1.1 设备号

内核中通过类型dev_t来描述设备号，其实质是unsigned int 32位整数，其中高12位为主设备号，低20位为次设备号。设备号也是一种资源，当我们需要时可以调用函数去申请。

​​​​​​​int register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name)

这是Linux内核中注册字符设备驱动的函数之一，它的作用是在内核中申请一段设备号，并将其与设备驱动程序进行绑定。具体来说，它的参数含义如下：

• from：设备号的起始值，通常为0。
• count：需要注册的设备号数量。
• name：设备名称，用于在 /proc/devices 文件中显示设备的名字。

函数执行成功时，会返回0，否则返回一个负数错误码。

1.2 设备信息的描述

#include <linux/cdev.h>

struct cdev {
    struct kobject kobj;           // 对象，用于实现 sysfs 文件系统接口
    struct module *owner;         // 指向模块对象的指针，用于记录模块的引用计数
    const struct file_operations *ops;  // 指向字符设备驱动程序提供的操作函数集合的指针
    struct list_head list;        // 用于链接同一设备号下的所有设备结构体的链表
    dev_t dev;                    // 设备的主、次设备号
    unsigned int count;           // 要注册的设备号的数量
};

1.3 设备行为的描述

#include <linux/fs.h>

struct file_operations {
    struct module *owner;   // 指向模块对象的指针，用于记录模块的引用计数
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);  // 实现文件偏移量设置函数
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);  // 实现读操作函数
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);  // 实现写操作函数
    int (*open) (struct inode *, struct file *);  // 实现设备打开函数
    int (*release) (struct inode *, struct file *);  // 实现设备关闭函数
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);  // 实现设备控制函数
    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);  // 实现设备内存映射函数
    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);  // 实现设备缓冲刷新函数
    int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);  // 实现设备同步函数
};

struct file_operations 中的函数指针成员包括：

• llseek：实现文件偏移量设置函数。
• read：实现读操作函数。
• write：实现写操作函数。
• open：实现设备打开函数。
• release：实现设备关闭函数。
• unlocked_ioctl：实现设备控制函数。
• mmap：实现设备内存映射函数。
• flush：实现设备缓冲刷新函数。
• fsync：实现设备同步函数。

这些函数指针中的大部分都是可选的，根据实际需求进行选择实现。

二、驱动的使用

insmod和rmmod是Linux系统中用于安装和卸载内核模块的命令，而mknod是用于创建设备节点的命令。

2.1 insmod

1. 使用gcc编译内核模块源代码，生成.ko文件。

2. 在终端中输入insmod  **.ko 命令，加载.ko文件。

3. 内核检查模块符号表，如果符号表正确，则会调用模块中的init函数进行初始化。

4. init函数会进行设备的初始化，包括申请设备号、创建字符设备结构体、初始化设备、注册设备等。

5. 通过调用cdev_add函数将字符设备添加到系统中。

6. 创建设备节点，以便应用程序可以使用设备。

2.2 rmmod

1. 在终端中输入rmmod  **.ko 命令，卸载模块。

2. 内核会调用模块中的exit函数，对设备进行资源的释放，如注销字符设备、释放设备号等。

3. 调用cdev_del函数将字符设备从系统中删除。

4. 删除设备节点，以便应用程序无法使用设备。

2.3 mknod

//mknod [选项] <文件名> <文件类型> <主设备号> <次设备号>
  mknod /dev/testchar       c        232        0

1. 在终端中输入mknod命令，创建设备节点。

2. 使用mknod函数创建设备节点，需要指定设备的名称、设备类型、主设备号、次设备号等参数。

3. 创建成功后，应用程序可以通过打开设备节点访问设备。

2.4 流程图

来源：05-字符设备驱动（三）：驱动的测试以及驱动的Makefile_哔哩哔哩_bilibili

2.5 Makfile文件

ifneq ($(KERNELRELEASE),)   如果KERNELRELEASE变量已定义，即当前为内核构建过程，执行以下代码
obj-m := charDev.o   编译模块charDev为目标文件obj文件，即生成charDev.o
else 
PWD := $(shell pwd)   定义变量PWD为当前目录的绝对路径
KDIR:=  / lib/ modules/ 'uname -r' / build  定义变量KDIR为内核源码目录路径
all:   
          make -c$(KDIR)][M=$(PWD)   在内核源码目录下执行make，参数为M=$(PWD)，表示生成的目标文件存放在当前目录
clean:  
          rm -rf *.o *.ko *.mod.c *.symvers .c~s~   删除编译生成的目标文件
endif 

三、通过驱动ioctl 点灯

ioctl函数用于在用户态和内核态之间传递控制命令，通常用于设备驱动中实现设备的特定操作，也可以用于进程间通信和内核调试等场景。

int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

fd表示要进行控制命令的文件描述符；request表示控制命令的编号，需要设备驱动实现者自己定义，通常使用宏定义的方式定义在头文件中；最后一个可选参数则是控制命令需要的参数，如果没有参数则传递NULL。

可通过访问 cat /proc/ioports 来获取设备当前的IO端口号