📚 课程目录第2章字符设备驱动基础

2. 字符设备驱动基础：设备号概念与分配

在 Linux 字符设备驱动中，设备号是内核与用户空间识别设备的核心标识。每个字符设备在系统中都拥有唯一的设备号，内核通过它来查找对应的驱动程序并完成文件操作。本章将系统讲解设备号的构成、分配与释放机制，为后续实现中断处理和 ioctl 接口打下基础。

2.1 设备号概念

设备号是一个 dev_t 类型的 32 位无符号整数，由两部分组成：

主设备号（Major Number）：高 12 位，用于标识设备对应的驱动程序。内核通过主设备号找到驱动注册的 file_operations 结构体。
次设备号（Minor Number）：低 20 位，由驱动程序内部使用，通常用于区分同一驱动管理的多个物理或逻辑设备实例。

  关键理解： 主设备号是“驱动 ID”，次设备号是“设备实例 ID”。同一个主设备号下的不同次设备号共享同一套驱动操作函数。

2.2 主设备号与次设备号的职责划分

属性	主设备号	次设备号
位数	12 位（0–4095）	20 位（0–1048575）
内核用途	查找驱动注册的 `file_operations`	驱动内部区分设备实例
分配方式	静态指定或动态分配	由驱动开发者自行规划
典型示例	89（I2C 设备）	0–3（同一 I2C 总线上的 4 个从设备）
用户空间可见	`ls -l /dev` 第一列数字	`ls -l /dev` 第二列数字

实践提示： 在 /dev 目录下执行 ls -l，你会看到类似 crw-rw---- 1 root root 10, 235 的输出，其中 10 是主设备号，235 是次设备号。

2.3 设备号分配与释放 API

Linux 内核提供两组核心函数用于设备号的注册与注销。驱动开发者必须在模块加载时分配设备号，在卸载时释放。

2.3.1 静态分配

当驱动使用已知的、未占用的主设备号时，可以静态指定：

#include <linux/fs.h>

int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, const char *name);
// first: 起始设备号（主设备号 << 20 | 起始次设备号）
// count: 连续分配的次设备号数量
// name: 设备名称（显示在 /proc/devices）
// 返回值：0 成功，负值失败

2.3.2 动态分配

推荐使用动态分配，避免主设备号冲突：

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned int baseminor, unsigned int count, const char *name);
// dev: 输出参数，返回分配到的起始设备号
// baseminor: 起始次设备号
// count: 连续分配的次设备号数量
// name: 设备名称
// 返回值：0 成功，负值失败

2.3.3 释放设备号

无论使用哪种分配方式，释放接口相同：

void unregister_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count);
// first: 之前分配的起始设备号
// count: 与分配时相同的数量

常见错误： 释放时 count 参数必须与分配时一致，否则会导致设备号泄漏或错误释放其他驱动的设备号。建议在模块卸载函数中立即调用释放。

2.4 查看已分配设备号

系统运行时，可以通过以下方式查看当前已注册的设备号：

/proc/devices：显示所有已注册的主设备号及其对应的驱动名称。
/sys/dev/char/：按主设备号/次设备号组织的 sysfs 目录。
ls -l /dev：显示设备文件对应的设备号。

  调试技巧： 在驱动开发中，如果 insmod 失败并提示 Device or resource busy，通常是因为主设备号已被占用。此时应改用 alloc_chrdev_region 动态分配。

2.5 完整示例：设备号分配与释放

以下代码展示了一个字符设备驱动模块中设备号管理的标准模式：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>

#define DEVICE_NAME "my_char_dev"
#define MINOR_COUNT 4

static dev_t dev_num;

static int __init my_init(void)
{
    int ret;

    /* 动态分配 4 个连续设备号，起始次设备号为 0 */
    ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, MINOR_COUNT, DEVICE_NAME);
    if (ret < 0) {
        pr_err("Failed to allocate device numbers\n");
        return ret;
    }

    pr_info("Allocated major=%d, minor=%d\n",
            MAJOR(dev_num), MINOR(dev_num));
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void)
{
    unregister_chrdev_region(dev_num, MINOR_COUNT);
    pr_info("Device numbers released\n");
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Driver Expert");
MODULE_DESCRIPTION("Device number allocation example");

2.6 本章小结

知识点	核心要点
设备号结构	`dev_t` 高 12 位主设备号 + 低 20 位次设备号
主设备号作用	内核查找驱动 `file_operations` 的索引
次设备号作用	驱动内部区分多个设备实例
静态分配	`register_chrdev_region()`，需已知空闲主设备号
动态分配	`alloc_chrdev_region()`，推荐使用，避免冲突
释放接口	`unregister_chrdev_region()`，参数必须与分配一致