Linux内核驱动--设备驱动

一、驱动概念

设备驱动（Device Driver） 是连接硬件与操作系统内核的桥梁。它使得上层应用程序能够通过统一的接口访问底层硬件资源，而无需关心具体的硬件细节。Linux 内核将设备抽象为三大类：字符设备、块设备 和 网络设备，每种类型对应不同的数据访问模式和驱动模型。

二、驱动分类

类型	访问方式	典型设备	缓冲机制	主要系统调用
字符设备	字节流（顺序/随机）	串口、键盘、LED、ADC	无（或简单缓冲）	open, read, write, ioctl
块设备	固定大小块（通常512B/4KB）	硬盘、SD卡、eMMC	有（内核页缓存）	open, read, write, fsync
网络设备	数据包（报文）	以太网卡、Wi-Fi 模块	有（sk_buff 缓冲区）	socket, send, recv（非文件操作）

三、Linux 字符设备驱动架构图

四、字符设备驱动的核心组件

1. struct file_operations ------ 驱动的"接口表"

这是字符设备驱动的灵魂，定义了用户空间调用系统调用时内核应执行的函数。

static struct file_operations demo_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = demo_open,
    .release = demo_release,
    .read = demo_read,
    .write = demo_write,
};

• open()：设备打开时调用（如 fd = open("/dev/demo", O_RDWR)）
• release()：close(fd) 时调用，释放资源
• read() / write()：核心数据传输函数

2. 设备号（Device Number）

每个字符设备由 主设备号（Major） + 次设备号（Minor） 唯一标识。

• 主设备号：标识设备类型（如 4 表示 TTY）
• 次设备号：区分同一类型的不同实例（如 ttyS0、ttyS1）

// 静态指定
int major = register_chrdev(200, "mydev", &demo_fops);

3. cdev 结构体 ------ 内核中的字符设备对象

现代 Linux 使用 cdev 结构管理字符设备：

struct cdev my_cdev;

// 初始化并绑定 fops
cdev_init(&my_cdev, &demo_fops);
my_cdev.owner = THIS_MODULE;

// 添加到内核
cdev_add(&my_cdev, dev, 1);  // dev 是 alloc_chrdev_region 返回的 dev_t

五、高效开发利器：ctags 源码导航

在开发字符设备驱动时，经常需要查阅内核源码中的函数定义、结构体成员和宏展开。ctags 是一个强大的代码索引工具，可让你在 Vim、Emacs 或 VS Code 中快速跳转到符号定义。

1. 安装 ctags

# Ubuntu/Debian
sudo apt install exuberant-ctags

# CentOS/RHEL
sudo yum install ctags

2. 在内核源码目录生成 tags 文件

ctags -R

3. 在编辑器中使用 ctags

• 将光标放在函数名上（如 cdev_add）
• 按 Ctrl + ] → 跳转到定义
• 按 Ctrl + t → 返回上一位置
• :ts → 显示所有匹配项（适用于重载）

六、总结

• 字符设备驱动是 Linux 最基础的驱动类型，用于以字节流方式访问硬件（如 LED、串口、传感器等）。
• 通过 file_operations 结构体将用户系统调用（open/read/write/ioctl）映射到内核函数。
• 通过 cdev_add() 注册设备。
• 开发过程中配合 ctags 工具（ctags -R）可快速跳转内核源码，高效查阅 API 实现与定义。