上一篇文章讲了如何实现基于内核模块的“helloworld”，相信大家通过这个例子对于内核模块有了一个基本的了解。当然，内核模块绝不仅仅只能实现这点功能，其最大的应用就是实现硬件的驱动程序。其实，linux内核中很大一部代码都是硬件处理相关的，比如，设备-总线-驱动框架，USB框架、spi框架、i2c框架等等，对应于各种不同的硬件设备，相应的就会有设备驱动程序，从最简单的按键、LED驱动，到十分复杂的USB子系统驱动，可以好不夸张的说，Linux内核可以适配绝大多数的硬件设备。
那这些驱动框架和驱动程序，一般都是通过内核模块的方式设计和使用的。在构建内核时，一般将设备驱动程序编译成内核模块，内核可以根据系统接入的硬件情况，动态的加载、卸载相应的驱动模块。
那具体到一个硬件驱动程序，是如何与内核模块结合在一起的呢？下面通过一个简单的字符设备驱动例子说明一下。
设备存在方式--设备文件
“一切皆文件”是Linux的十分重要的设计哲学。内核为应用程序提供的所有服务都是通过“文件”的形式。设备也不例外，任何硬件最终都会在文件系统中创建一个对应的文件，可以通过命令ls /dev看到系统中所有的设备文件。例如，大家熟悉的鼠标，其设备文件的主要信息如下所示：
ls input/mouse0 -l
crw-rw---- 1 root input 13, 32 5月 16 22:42 input/mouse0
其中，c代表设备类型为字符设备，rw-rw----表示用户对于文件的操作权限，13,52表示设备的主、次设备号，这个下一节会着重点讲解。
用户空间的应用程序，通过这些设备文件，就可以完成与硬件设备的交互。操作设备文件的方式与操作普通文件没有任何区别，都是通过标准的文件操作接口完成。
- 打开设备：open
- 关闭设备：close
- 写设备参数：write
- 读设备参数：read
- 控制设备：ioctl
- ... ...
在“一切皆文件”这种哲学的指导下，Linux系统的设备管理十分的和谐、统一，只要你学会了操作普通文件，那么操作任何设备都没有太大的问题，至少你可以不需要太多学习，就可以完成对一个设备的使用。
设备标识--设备号
Linux系统会使用很多的硬件设备，去/dev目录下看一下就知道了。那这么多的设备文件，内核是如何进行区分的呢？其实很简单，就是通过一个数字名字进行区分的，这个数字就是设备号。不同的设备文件拥有系统唯一的设备号，内核通过这个设备号完成设备的识别。
设备号，分为两部分：主设备号和次设备号。主设备号用来定义设备的类型，次设备用来定义同属于某一类型的设备编号。这就好比，在学校里，会给每个班级编号，具体每个班级的里学生，又会通过学号进行编号，对应一下，主设备号就是班级编号，次设备号就是班内学生编号。
通常而言，一个驱动程序会对应唯一的一个主设备号，而每个被其驱动的硬件设备，对应一个次设备号。
内核通过dev_t表示设备号，其包括主、次设备号两部分。一般不会通过dev_t直接解析主次设备号，而是通过下面的宏进行操作：
- MAJOR(dev_t dev)；获取主设备号
- MINOR(dev_t dev)；获取次设备号
- MKDEV(int major, int minor)；根据主次设备号合成设dev_t类型
申请和释放设备号
不同类型的设备，管理设备号的方式是不同的，由于本文举的驱动例子是字符类型的，所以只介绍一下，字符类设备的设备号的申请和释放方式。
设备编号的申请有两种方式：
- 已经主设备号：
如果事先，已经知道了主设备，那么可以使用接口申请设备号。
int register_chdev_region(dev_t first, unsigned int count, char*name);
- first：主设备号
- count:连续的次设备的个数，次设备号一般从0开始
- name：设备名称
- 未知主设备号：
如果事先，不知道主设备号，那么使用下面的接口，内核会动态的分配一个可用的主设备供该设备使用。
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int firstminor, unsigned int count, char *name);
- dev：保存内核分配的设备号
- firstminor:起始次设备号
- count:连续的次设备号个数
- name:设备名称
不论使用哪种方式，设备号申请成功，返回0，失败返回错误码。
设备号是系统资源，不使用时应该主动的将其释放，该操作一般发生在驱动卸载时，使用的接口定义如下。
void unregister_chdev_region(dev_t first, unsigned int count);
可以通过查看/proc/devices，来看系统中硬件设备文件的设备号。
cat devices
Character devices:
1 mem
4 /dev/vc/0
... ...
Block devices:
7 loop
8 sd
9 md
... ...
简单字符设备
好了，有了设备号的概念之后， 就可以在内核模块中添加申请设备号的操作，而后就可以在/dev目录下，看到设备文件。这一个真正意义的字符设备文件，下面我们就来实现一个这个设备。
上一小节说过，设备号可以静态指定，也可以动态生成，我们采用两种方式来申请设备编号。通过定义一个全局的变量:global_major，来保存设备号，如果global_major为0，那么采用动态设备号申请方式，否则，采用global_major来申请设备号。
//scdev.c
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
static int global_major = 0;
static int global_minor = 1;
static int global_nr_devs = 2;
static int __init module_init_func(void)
{
int ret;
dev_t dev;
printk("register simple cdev.\n");
if(global_major) {
dev = MKDEV(global_major, global_minor);
ret = register_chrdev_region(dev, global_nr_devs, "scdev");
} else {
ret = alloc_chrdev_region(&dev, global_major, global_nr_devs, "scdev");
global_major = MAJOR(dev);
global_minor = MINOR(dev);
}
if(ret < 0) {
printk(KERN_WARNING "scdev:can't get major %d.\n", global_major);
return ret;
}
printk(KERN_INFO "scdev:major:%d, minor:%d.\n", global_major, global_minor);
return 0;
}
static void __exit module_exit_func(void)
{
return;
}
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_VERSION("v0.1");
MODULE_AUTHOR("lhl");
MODULE_DESCRIPTION("LKM, scdev.");
module_init(module_init_func);
module_exit(module_exit_func);
Makefile文件
obj-m:=scdev.o
KERS :=/lib/modules/$(shell uname -r)/build
all:
make -C $(KERS) M=$(shell pwd) modules
clean:
make -C $(KERS) M=$(shell pwd) clean
编译成功后， 通过sudo install scdev.ko，安装模块，通过dmesg可以看到动态申请的设备号：
[10169.420211] register simple cdev.
[10169.420212] scdev:major:239, minor:0.
动态申请的次设备号从0开始，可是，这个设备还没有生成设备文件，通过mknod命令，就可以创建设备文件。
sudo mknod /dev/scdev c 239 0
ls /dev/scdev -l
crw-r--r-- 1 root root 239, 0 5月 18 21:26 /dev/scdev
不过，由于没有实现文件相关的操作，所以，如果试图往读取或者写入数据到scdev时，系统会提示：
cat /dev/scdev
cat: /dev/scdev: 没有那个设备或地址
或
echo 0 > /dev/scdev
bash: /dev/scdev: 没有那个设备或地址
后续实现文件相关操作之后，就可以实现设备文件的读取和写入。
总结
本文主要介绍了，如何基于设备模块实现一个简单的字符设备scdev，并且创建了相应的设备文件。但是，这个scdev除了申请了设备号之外，没有其他的功能。不过，我们已经有了设备文件，待后续增加文件相关的操作之后，就可以实现更复杂的功能。
