69、Linux字符设备驱动实战

Linux字符设备驱动实战

一、核心概念回顾（先理清基础）

1.1 字符设备驱动是什么？

字符设备驱动是操作字符设备的内核程序，数据按"字节流"顺序访问，核心作用是：

向上给应用程序提供统一的文件操作接口（open/read/write/close）；
向下对接硬件，实现具体的硬件控制逻辑（本文为演示，暂用printk替代硬件操作）。

1.2 驱动实现三要素（你关注的核心）

硬件操作方法：实现open/read/write/close等函数，封装硬件操作逻辑；
设备号申请：设备号是驱动的"身份证"（32位，高12位主设备号+低20位次设备号），主设备号代表设备类型，次设备号区分同类设备；
驱动注册：将驱动的操作方法、设备号注册到内核，让内核识别并关联设备。

1.3 关键工具与命令

工具/命令	作用
`arm-linux-gnueabihf-gcc`	交叉编译器，编译ARM架构的应用程序
`make zImage`	编译Linux内核，将驱动模块打包进内核镜像
`cat /proc/devices`	查看已注册的驱动设备号（主设备号+设备名）
`mknod`	手动创建设备节点（应用程序通过设备节点访问驱动）
`dmesg`	查看内核打印信息（驱动中的printk输出）

二、驱动代码深度解析（你的`demo_driver.c`）

你的demo_driver.c完美实现了字符设备驱动的三要素，我们逐部分拆解核心逻辑：

2.1 第一步：实现硬件操作方法（file_operations结构体）

驱动的核心是struct file_operations结构体，它定义了应用程序可调用的操作接口，对应代码中的：

c 复制代码

// 定义硬件操作方法（本文为演示，仅打印调试信息）
static int open(struct inode *inode, struct file *file) {
  printk("demo1_init open\n");  // 应用调用open时触发
  return 0;
}

static ssize_t read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *loff) {
  printk("demo1_init read\n");   // 应用调用read时触发
  return 0;
}

static ssize_t write(struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *loff) {
  printk("demo1_init write\n");  // 应用调用write时触发
  return 0;
}

static int close(struct inode *inode, struct file *file) {
  printk("demo1_init close\n");  // 应用调用close时触发
  return 0;
}

// 绑定操作方法到file_operations结构体
static struct file_operations fops = {
  .owner = THIS_MODULE,  // 声明驱动所属模块（避免模块被意外卸载）
  .open = open,          // 关联open函数
  .read = read,          // 关联read函数
  .write = write,        // 关联write函数
  .release = close       // 关联close函数（应用close时实际调用release）
};

原理：应用程序调用open("/dev/demo1", O_RDWR)时，内核会通过设备号找到对应的驱动，进而调用驱动中绑定的open函数。

2.2 第二步：申请设备号（静态申请方式）

设备号是驱动与内核的"约定凭证"，你用了静态申请（指定固定主设备号255、次设备号0），代码解析：

c 复制代码

#define DEV_MAJOR 255  // 主设备号（自定义，需确保未被占用）
#define DEV_MINOR 0    // 次设备号
#define DEV_NAME "demo1"  // 设备名

static dev_t dev;  // 存储组合后的32位设备号

// 组合主次设备号：MKDEV(主设备号, 次设备号)
dev = MKDEV(DEV_MAJOR, DEV_MINOR);

// 静态申请设备号：参数（设备号, 设备数量, 设备名）
register_chrdev_region(dev, 1, DEV_NAME);

注意：静态申请需确保主设备号未被其他驱动占用，可通过cat /proc/devices查看已占用的主设备号。若不想手动指定，也可使用alloc_chrdev_region动态申请（内核自动分配未占用的主设备号）。

2.3 第三步：向系统注册驱动（cdev结构体）

内核通过cdev结构体管理字符设备驱动，需将file_operations与设备号关联后注册到内核，代码解析：

c 复制代码

static struct cdev cdev;  // 字符设备驱动核心结构体

// 初始化cdev：绑定cdev与file_operations
cdev_init(&cdev, &fops);

// 注册cdev到内核：参数（cdev指针, 设备号, 设备数量）
cdev_add(&cdev, dev, 1);

驱动加载/卸载 ：通过module_init和module_exit宏定义驱动的加载与卸载入口：

c 复制代码

// 驱动加载时执行（insmod或内核启动时）
static int __init demo1_init(void) {
  // 设备号申请+驱动注册逻辑（上文已解析）
  printk("-------------------------------------- demo1_init\n");
  return 0;
}

// 驱动卸载时执行（rmmod）
static void __exit demo1_exit(void) {
  cdev_del(&cdev);  // 从内核删除cdev
  unregister_chrdev_region(dev, 1);  // 释放设备号
  printk("-------------------------------------- demo1_exit\n");
}

module_init(demo1_init);  // 注册加载入口
module_exit(demo1_exit);  // 注册卸载入口

三、应用程序解析（你的`main.c`）

应用程序通过"设备节点"（/dev/demo1）访问驱动，本质是调用驱动的file_operations接口，代码逻辑：

c 复制代码

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

int main(int argc, char *argv[]) {
  // 打开设备节点：对应驱动的open函数
  int fd = open("/dev/demo1", O_RDWR);
  if (fd < 0) {
    perror("open demo1 failed");  // 打开失败（如设备节点未创建）
    return 1;
  }

  char buf[10] = {0};
  read(fd, buf, sizeof buf);  // 读驱动：对应驱动的read函数
  write(fd, buf, sizeof buf); // 写驱动：对应驱动的write函数
  close(fd);                  // 关闭驱动：对应驱动的close函数

  return 0;
}

应用与驱动的交互流程 ：
app: open() → 内核: sys_open() → 驱动: open() → 内核返回文件描述符fd → app: read/write/close() → 驱动: 对应函数执行

四、完整实操流程（从编译到验证）

你已经完成了代码编写和应用编译，接下来按以下步骤完成驱动编译、烧录与验证：

4.1 步骤1：将驱动添加到内核（关键！）

要让驱动随内核启动加载，需将demo_driver.c添加到内核源码，修改对应的Makefile和Kconfig（参考之前的内核编译笔记）：

把demo_driver.c拷贝到内核源码的drivers/char/目录（字符设备驱动默认目录）；
修改drivers/char/Makefile，添加一行：
makefile 复制代码
```
obj-$(CONFIG_DEMO_DRIVER) += demo_driver.o
```

修改drivers/char/Kconfig，添加驱动配置选项：

kconfig 复制代码

config DEMO_DRIVER
    tristate "Demo Character Device Driver"
    help
      This is a demo character device driver for IMX6ULL.

执行menuconfig启用驱动：
bash 复制代码
```
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig
```
找到"Character devices" → 勾选"Demo Character Device Driver"（选Y，编译进内核），保存退出。

4.2 步骤2：编译内核生成zImage

bash 复制代码

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- all -j16

编译成功后，在arch/arm/boot/目录下生成包含demo驱动的zImage镜像。

4.3 步骤3：烧录内核并启动开发板

将zImage和对应的设备树（imx6ull.dtb）通过TFTP下载到开发板，或烧录到SD卡，启动开发板。

4.4 步骤4：验证驱动是否注册成功

查看设备号：在开发板终端执行，若能看到255 demo1，说明驱动注册成功：
bash 复制代码
```
cat /proc/devices
```
创建设备节点：应用程序通过设备节点访问驱动，执行以下命令创建（主次设备号需与驱动一致）：
bash 复制代码
```
mknod /dev/demo1 c 255 0
```
- c：表示字符设备；
- 255：主设备号；
- 0：次设备号。

4.5 步骤5：运行应用程序验证

将编译好的demo1app通过NFS拷贝到开发板（参考之前的NFS挂载笔记）；
运行应用程序：
bash 复制代码
```
./demo1app
```

查看驱动打印信息：执行dmesg，能看到以下输出，说明应用与驱动交互成功：

复制代码

-------------------------------------- demo1_init
demo1_init open
demo1_init read
demo1_init write
demo1_init close

五、常见问题排查

5.1 执行`cat /proc/devices`看不到`demo1`

驱动未编译进内核：检查menuconfig是否启用了DEMO_DRIVER，重新编译内核；
主设备号冲突：修改DEV_MAJOR为未被占用的数值（如240），重新编译。

5.2 应用`open("/dev/demo1")`失败

未创建设备节点：执行mknod /dev/demo1 c 255 0；
设备节点权限不足：执行chmod 777 /dev/demo1开放权限。

5.3 `dmesg`看不到printk输出

内核打印级别限制：执行echo 8 > /proc/sys/kernel/printk，开放所有级别打印。

69、Linux字符设备驱动实战

Linux字符设备驱动实战

一、核心概念回顾（先理清基础）

1.1 字符设备驱动是什么？

1.2 驱动实现三要素（你关注的核心）

1.3 关键工具与命令

二、驱动代码深度解析（你的demo_driver.c）

2.1 第一步：实现硬件操作方法（file_operations结构体）

2.2 第二步：申请设备号（静态申请方式）

2.3 第三步：向系统注册驱动（cdev结构体）

三、应用程序解析（你的main.c）

四、完整实操流程（从编译到验证）

4.1 步骤1：将驱动添加到内核（关键！）

4.2 步骤2：编译内核生成zImage

4.3 步骤3：烧录内核并启动开发板

4.4 步骤4：验证驱动是否注册成功

4.5 步骤5：运行应用程序验证

五、常见问题排查

5.1 执行cat /proc/devices看不到demo1

5.2 应用open("/dev/demo1")失败

5.3 dmesg看不到printk输出

二、驱动代码深度解析（你的`demo_driver.c`）

三、应用程序解析（你的`main.c`）

5.1 执行`cat /proc/devices`看不到`demo1`

5.2 应用`open("/dev/demo1")`失败

5.3 `dmesg`看不到printk输出