具体掌握字符设备驱动

一、字符设备驱动的特性

先搞懂它 "是什么样的驱动"：

• 数据访问方式 ：按字节流顺序读写（像水管流水，从头到尾依次读 / 写），典型设备：串口、键盘、LED、串口屏。
• 无缓存 / 低缓存：数据 "来了就处理"，实时性强（比如键盘按一下就立刻响应），和 "块设备（硬盘）" 的 "先存缓存再批量处理" 区别明显。
• 设备文件映射 ：用户空间通过设备文件（比如 /dev/ttyS0） 访问，内核通过 struct file_operations 把文件操作映射到硬件操作。

二、字符设备的 "创建 + 识别 + 注册" 步骤

内核要管理字符设备，得完成这 4 步（相当于给设备 "上户口"）：

1. 准备 "设备号"（内核识别设备的身份证）

设备号分两部分：

• 主设备号：标识 "设备类型"（比如所有串口的主设备号可能是 4）；
• 次设备号 ：标识 "同类型下的具体设备"（比如 /dev/ttyS0 次设备号是 0，/dev/ttyS1 是 1）。

获取设备号有 2 种方式：

// 方式1：静态分配（需提前查系统未用的号，容易冲突）
dev_t dev_num = MKDEV(主设备号, 次设备号); // 比如 MKDEV(200, 0)
register_chrdev_region(dev_num, 1, "my_dev"); // 注册1个设备

// 方式2：动态分配（推荐，内核自动分配未用的号）
alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_dev"); // 次设备号从0开始，分配1个

2. 初始化 "字符设备结构体（cdev）"

struct cdev 是内核管理字符设备的核心结构体，需要把它和你的驱动逻辑绑定：

struct cdev my_cdev;
cdev_init(&my_cdev, &my_fops); // 绑定"操作函数集（my_fops就是file_operations）"
my_cdev.owner = THIS_MODULE;   // 标记驱动所属模块，防止模块被意外卸载

3. 把设备 "注册到内核"

让内核知道这个设备存在：

cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1); // 把cdev添加到内核的字符设备链表

4. 创建设备文件（用户空间访问的入口）

内核注册完设备后，用户空间还需要一个 "访问入口"------ 设备文件，有 2 种方式：

• 手动创建 ：终端执行 mknod /dev/my_dev c 主设备号 次设备号（c 表示字符设备）；

• 自动创建 ：用 class_create + device_create（驱动加载时自动在 /dev 生成文件）：

  // 1. 创建设备类（会在/sys/class下生成目录）
  struct class *my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_class");
  // 2. 创建设备文件（自动在/dev下生成my_dev）
  device_create(my_class, NULL, dev_num, NULL, "my_dev");

三、设备文件方法 + struct file_operations 详解

用户空间用open/read/write等系统调用访问设备文件时，内核会转发到 struct file_operations 里的对应函数 ------ 这是 "用户空间和硬件交互的桥梁"。

1. struct file_operations 核心成员（对应系统调用）

用户空间系统调用	file_operations 成员函数	作用说明
open("/dev/my_dev")	int (*open)(struct inode *inode, struct file *filp)	打开设备时执行（比如初始化硬件、记录设备状态）
read(fd, buf, size)	ssize_t (*read)(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)	从设备读数据到用户空间（必须用copy_to_user传数据，不能直接写__user 指针）
write(fd, buf, size)	ssize_t (*write)(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)	从用户空间写数据到设备（必须用copy_from_user读数据）
close(fd)	int (*release)(struct inode *inode, struct file *filp)	关闭设备时执行（比如释放硬件资源、重置状态）
lseek(fd, off, SEEK_SET)	loff_t (*llseek)(struct file *filp, loff_t off, int whence)	调整文件读写指针（字符设备可选实现）

2. 写一个最小的 file_operations 示例

// 定义read函数：用户读时返回"hello char dev"
ssize_t my_dev_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{
    char kernel_buf[] = "hello char dev";
    int len = strlen(kernel_buf);
    // 把内核数据复制到用户空间（必须用这个函数，保证安全）
    if (copy_to_user(buf, kernel_buf, len)) {
        return -EFAULT; // 复制失败返回错误
    }
    return len; // 返回实际读取的字节数
}

// 定义open函数：打开时打印日志
int my_dev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    printk(KERN_INFO "my_dev opened!\n");
    return 0;
}

// 组装file_operations结构体
struct file_operations my_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = my_dev_open,
    .read = my_dev_read,
};

四、完整流程串起来（驱动加载 + 用户测试）

1. 驱动加载 ：编译驱动为.ko模块，执行insmod my_dev.ko，此时/dev/my_dev会自动创建；

2. 用户测试：写个 C 程序访问设备文件：

   #include <stdio.h>
   #include <fcntl.h>
   #include <unistd.h>

   int main() {
   char buf[100];
   int fd = open("/dev/my_dev", O_RDONLY); // 打开设备
   read(fd, buf, 100); // 读设备数据
   printf("read from dev: %s\n", buf); // 输出"hello char dev"
   close(fd);
   return 0;
   }