📚 课程目录第4章设备号管理

4. 设备号管理

字符设备驱动要能被用户空间访问，第一步就是让内核知道“这个驱动占用了哪些设备号”。设备号是字符设备在系统中的身份标识，由主设备号（MAJOR）和次设备号（MINOR）共同组成。主设备号用于标识“哪一类设备、由哪个驱动管理”，次设备号用于标识“同一驱动下的第几个具体设备实例”。内核通过 dev_t 类型保存设备号，用户空间则通过 mknod 或 udev 在 /dev 下生成对应节点。

设备号不是随便写一个数字就能用的。它属于全局资源，必须向内核“申请—使用—释放”，否则会与已有驱动冲突，导致注册失败、节点错乱，甚至影响系统启动。

一、dev_t、MAJOR、MINOR 与 MKDEV 的关系

Linux 内核用 dev_t 表示设备号。在 32 位内核中，dev_t 通常是 32 位整数：高 12 位保存主设备号，低 20 位保存次设备号。因此主设备号范围是 0～4095，次设备号范围是 0～1048575。内核提供三个宏来操作设备号：

MAJOR(dev)：从 dev_t 中提取主设备号。
MINOR(dev)：从 dev_t 中提取次设备号。
MKDEV(major, minor)：把主设备号和次设备号合成一个 dev_t。

#include <linux/kdev_t.h>

dev_t dev = MKDEV(240, 0);
unsigned int major = MAJOR(dev);   /* 240 */
unsigned int minor = MINOR(dev);   /* 0   */

这三个宏是设备号管理的基础。驱动中凡是需要“从设备号取主次号”或“由主次号构造设备号”的地方，都应使用它们，而不是手工移位，否则在不同内核版本或不同架构上容易出错。

二、两种注册方式：register_chrdev_region 与 alloc_chrdev_region

内核提供两个主要接口来申请字符设备号区域：

接口	适用场景	特点
`register_chrdev_region()`	已知主设备号，如固定分配、嵌入式板级指定	静态申请，主设备号由驱动作者指定，失败通常因冲突
`alloc_chrdev_region()`	主设备号未知，由内核动态分配	动态申请，内核返回可用主设备号，适合通用驱动

静态注册的典型写法如下：

#define MY_MAJOR 240
#define MY_MINOR 0
#define MY_DEV_CNT 4

dev_t devno;
int ret;

devno = MKDEV(MY_MAJOR, MY_MINOR);
ret = register_chrdev_region(devno, MY_DEV_CNT, "my_chrdev");
if (ret < 0) {
    printk(KERN_ERR "register_chrdev_region failed: %d\n", ret);
    return ret;
}

动态注册则不需要预先指定主设备号：

dev_t devno;
int ret;

ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, MY_DEV_CNT, "my_chrdev");
if (ret < 0) {
    printk(KERN_ERR "alloc_chrdev_region failed: %d\n", ret);
    return ret;
}

printk(KERN_INFO "major=%u minor=%u\n", MAJOR(devno), MINOR(devno));

动态分配成功后，内核会把实际分配到的设备号写入 devno。驱动应保存这个 devno，后续在 cdev_add、设备节点创建和释放时都要使用它。

三、设备号分配策略与生命周期

设备号分配策略的核心是“先申请、后使用、最后释放”。一个完整的生命周期如下：

确定设备数量：根据实际支持的次设备数量确定 count，例如 4 个 LED 设备就申请 4 个连续次设备号。
选择注册方式：能确定主设备号时用 register_chrdev_region；不确定时用 alloc_chrdev_region。
保存 devno：把申请到的 dev_t 保存到驱动私有结构体中。
关联 cdev：调用 cdev_init 和 cdev_add，把 file_operations 与设备号绑定。
创建节点：通过 mknod 或 udev 在 /dev 下生成设备节点。
释放资源：模块卸载时先 cdev_del，再 unregister_chrdev_region。

static dev_t my_devno;
static struct cdev my_cdev;

static int __init my_init(void)
{
    int ret;

    ret = alloc_chrdev_region(&my_devno, 0, MY_DEV_CNT, "my_chrdev");
    if (ret)
        return ret;

    cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
    my_cdev.owner = THIS_MODULE;

    ret = cdev_add(&my_cdev, my_devno, MY_DEV_CNT);
    if (ret) {
        unregister_chrdev_region(my_devno, MY_DEV_CNT);
        return ret;
    }

    return 0;
}

static void __exit my_exit(void)
{
    cdev_del(&my_cdev);
    unregister_chrdev_region(my_devno, MY_DEV_CNT);
}

注意释放顺序：先删除 cdev，再释放设备号。如果顺序反了，可能出现设备号已释放但 cdev 仍被访问的窗口，造成内核异常。

四、案例：动态分配与静态分配的对比

假设要开发一个支持 4 路 ADC 的字符设备驱动。若采用静态方式，可以指定主设备号 240，次设备号 0～3；若采用动态方式，内核可能分配主设备号 511，次设备号 0～3。用户空间看到的节点分别是：

# 静态方式
mknod /dev/adc0 c 240 0
mknod /dev/adc1 c 240 1
mknod /dev/adc2 c 240 2
mknod /dev/adc3 c 240 3

# 动态方式，假设内核分配 major=511
mknod /dev/adc0 c 511 0
mknod /dev/adc1 c 511 1
mknod /dev/adc2 c 511 2
mknod /dev/adc3 c 511 3

动态方式的优势是避免冲突，适合产品化驱动；静态方式的优势是设备号固定，便于脚本和测试环境直接写死节点。实际工程中，推荐优先使用 alloc_chrdev_region，再通过 udev 规则自动创建 /dev 节点，这样既安全又便于部署。

如果驱动需要支持多个次设备，建议在 file_operations 的 open 中通过 iminor(inode) 获取次设备号，再映射到具体硬件通道，而不是为每个次设备单独写一套驱动。

五、常见误区与复盘

误区一：只申请设备号，不注册 cdev。 设备号只是“占位”，真正让内核找到 file_operations 的是 cdev_add。两者缺一不可。
误区二：忘记释放设备号。 模块卸载时不调用 unregister_chrdev_region，会导致设备号泄漏，下次加载可能失败。
误区三：count 与实际次设备数不一致。 申请 4 个却只创建 2 个节点，或申请 1 个却访问 minor=3，都会导致 open 失败或访问越界。
误区四：手工移位构造 dev_t。 应使用 MKDEV、MAJOR、MINOR，保证可移植性。
误区五：动态分配后不保存 devno。 后续 cdev_add 和节点创建都需要它，丢失后无法正确关联。

设备号是全局资源，调试阶段可以临时使用静态主设备号，但量产驱动应使用动态分配，并在卸载路径中严格释放。任何“申请了但没释放”的路径，都是内核模块的隐患。

掌握设备号管理后，字符设备驱动才真正具备“被系统识别”的基础。后续的 file_operations 实现、并发控制、阻塞与非阻塞访问，都建立在这一步之上。把申请与释放路径写对称，是驱动稳定性的第一道保障。