字符设备框架与驱动开发入门

文章目录

[1. 引言](#1. 引言)
[2. 字符设备架构解析](#2. 字符设备架构解析)
- [2.1 交互架构](#2.1 交互架构)
- [2.2 驱动开发步骤](#2.2 驱动开发步骤)
[3. 代码实现](#3. 代码实现)
- [3.1 驱动初始化流程](#3.1 驱动初始化流程)
- [3.2 完整代码实现](#3.2 完整代码实现)
- - [3.2.1 头文件与全局变量](#3.2.1 头文件与全局变量)
  - [3.2.2 file_operations 接口实现](#3.2.2 file_operations 接口实现)
  - [3.2.3 驱动入口与出口](#3.2.3 驱动入口与出口)
[4. 编译与验证](#4. 编译与验证)
- [4.1 编译加载](#4.1 编译加载)
- [4.2 检查设备节点](#4.2 检查设备节点)
- [4.3 读写测试](#4.3 读写测试)
[5. 常见问题](#5. 常见问题)
[6. 驱动类型对比](#6. 驱动类型对比)
[7. 总结](#7. 总结)

1. 引言

在 Linux 驱动世界中，字符设备（Character Device）是最基础、最常见的"用户可交互"接口。

你可能接触过这些设备节点：

/dev/ttyS0 (串口)
/dev/input/event1 (输入设备)
/dev/gpiochip0 (GPIO控制器)

它们的共同点：表现形式都以 /dev/xxx 文件形式存在；操作方式支持 open(), read(), write(), ioctl() 等标准系统调用；本质都是字符设备驱动。

本文将带你从零开始写一个完整的字符设备驱动，打通从用户态 （User Space）到内核态（Kernel Space）的交互通路。

2. 字符设备架构解析

字符设备是一种以字节流方式读写的设备。与块设备（如硬盘）不同，它没有固定的块大小，通常按字节顺序访问。

2.1 交互架构

为了更好地理解用户程序是如何控制到底层驱动的，请看下图：
内核空间
用户空间
字符设备驱动
write('hello')
sys_write
查找主次设备号
调用对应函数
copy_from_user
用户应用程序

（echo / cat）
C 库

（glibc）
系统调用接口
虚拟文件系统（VFS）
cdev 结构体
file_operations

（open/read/write）
内核缓冲区

2.2 驱动开发步骤

开发一个字符设备驱动，主要包含以下四个核心步骤：

步骤	关键动作	作用
1. 分配设备号	`alloc_chrdev_region`	申请合法的主/次设备号 (Major/Minor ID)
2. 初始化 cdev	`cdev_init`	初始化核心结构体，绑定操作函数集
3. 实现接口	`file_operations`	实现 `open`, `read`, `write` 等具体业务逻辑
4. 注册设备	`cdev_add` & `device_create`	将驱动注册到内核，并创建 `/dev` 节点

3. 代码实现

我们将编写一个名为 /dev/hello_chrdev 的回显驱动：写入什么，读取时就返回什么。

3.1 驱动初始化流程

在看代码之前，需要先理清 init 函数的执行流：
失败
驱动加载
分配设备号

alloc_chrdev_region
初始化 cdev

cdev_init
注册 cdev

cdev_add
创建类

class_create
创建设备节点

device_create
完成
错误处理

3.2 完整代码实现

3.2.1 头文件与全局变量

c 复制代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/uaccess.h> // 包含 copy_to/from_user

#define DEVICE_NAME "hello_chrdev"

static dev_t dev_num;                // 存放设备号
static struct cdev hello_cdev;       // 字符设备核心结构
static struct class *hello_class;    // 用于自动创建设备节点
static char kernel_buffer[128];      // 内核侧数据缓冲区

3.2.2 file_operations 接口实现

这是字符设备驱动的"灵魂"，定义了当用户操作文件时，内核具体做什么事情。

c 复制代码

// 对应用户层的 open()
static int hello_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
	pr_info("hello_chrdev: device opened\n");
	return 0;
}

// 对应用户层的 read()
static ssize_t hello_read(struct file *file, char __user *buf, size_t len, loff_t *offset)
{
	// 使用内核帮助函数，处理偏移量和缓冲区边界
	return simple_read_from_buffer(buf, len, offset, kernel_buffer, strlen(kernel_buffer));
}

// 对应用户层的 write()
static ssize_t hello_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t len, loff_t *offset)
{
	size_t to_copy = min(len, sizeof(kernel_buffer) - 1);

	// 关键：必须使用 copy_from_user 安全地从用户空间拷贝数据
	if (copy_from_user(kernel_buffer, buf, to_copy))
		return -EFAULT;

	kernel_buffer[to_copy] = '\0'; // 确保字符串结束符
	pr_info("hello_chrdev: received \"%s\"\n", kernel_buffer);
	return to_copy;
}

3.2.3 驱动入口与出口

c 复制代码

// 定义操作函数集
static const struct file_operations hello_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = hello_open,
	.read = hello_read,
	.write = hello_write,
};

static int __init hello_init(void)
{
	int ret;

	// 1. 动态分配设备号
	ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME);
	if (ret < 0)
		return ret;

	// 2. 初始化 cdev 并与 fops 绑定
	cdev_init(&hello_cdev, &hello_fops);

	// 3. 添加 cdev 到内核
	ret = cdev_add(&hello_cdev, dev_num, 1);
	if (ret < 0)
		return ret;

	// 4. 自动创建设备节点 /dev/hello_chrdev
	// 先创建类
	hello_class = class_create(THIS_MODULE, "hello_class");
	if (IS_ERR(hello_class))
		return PTR_ERR(hello_class);

	// 再创建设备
	device_create(hello_class, NULL, dev_num, NULL, DEVICE_NAME);

	pr_info("hello_chrdev: initialized successfully\n");
	return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
	// 销毁顺序与注册顺序相反
	device_destroy(hello_class, dev_num);
	class_destroy(hello_class);
	cdev_del(&hello_cdev);
	unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
	pr_info("hello_chrdev: unloaded\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("dump linux");

4. 编译与验证

4.1 编译加载

bash 复制代码

make
sudo insmod hello_chrdev.ko
# 查看日志：hello_chrdev: initialized successfully
dmesg | tail

4.2 检查设备节点

bash 复制代码

# 输出示例：crw------- 1 root root 240, 0 ... (c 代表 character device)
ls -l /dev/hello_chrdev

4.3 读写测试

bash 复制代码

# 写入数据
echo "hello from user" > /dev/hello_chrdev
# 读取回显，输出: hello from user
cat /dev/hello_chrdev

5. 常见问题

现象	可能原因	排查建议
没有生成 `/dev/xxx`	`udev`/`mdev` 机制未触发或代码漏写	检查 `class_create` 和 `device_create` 是否执行成功
写入数据乱码	缓冲区溢出或未以 `\0` 结尾	检查 `kernel_buffer` 的边界处理及字符串结束符
`copy_from_user` 失败	用户指针非法	检查传入的用户空间地址是否有效，不要直接解引用用户指针
`read()` 死循环/总返回 0	偏移量未更新	`read` 函数必须更新 `loff_t *offset`，否则用户程序会以为文件一直在开头

6. 驱动类型对比

为了理清字符设备在驱动体系中的位置，我们将其与总线驱动做个对比：

特征	平台/总线驱动 (Platform/I2C/SPI)	字符设备驱动 (Char Device)
关注点	如何挂载	如何访问
驱动入口	`probe()` (匹配设备树/总线后触发)	`init()` (模块加载时直接运行)
通信对象	硬件芯片 (GPIO, 寄存器)	用户空间程序 (通过文件 IO)
暴露方式	通常在 `/sys/bus/...`	`/dev/xxx` 字符设备节点
典型应用	传感器、控制器底层驱动	虚拟设备、自定义通信接口、硬件驱动的上层封装

7. 总结

字符设备驱动是连接用户空间与内核空间的最直接桥梁。对内它可以调用 GPIO、I2C 等底层接口控制硬件，对外它提供标准的 open/read/write 文件接口供 App 调用。