linux字符设备驱动

cear2026-02-14 18:03

1.字符设备驱动相关系统函数简介

1.1 container_of

复制代码 
/**
 * container_of 通过一个结构体成员的指针，获取包含该成员的结构体的起始地址
 * @ptr:        变量的指针
 * @type:       指针指向的结构体类型
 * @member:     结构体中的变量类型
 *
 */
#define container_of(ptr, type, member) ({              \
    void *__mptr = (void *)(ptr);                   \
    BUILD_BUG_ON_MSG(!__same_type(*(ptr), ((type *)0)->member) &&   \
                     !__same_type(*(ptr), void),            \
                     "pointer type mismatch in container_of"); \
    ((type *)(__mptr - offsetof(type, member))); })

为了简化理解，可以将container_of函数理解为如下表示

复制代码 
#define container_of(ptr, type, member) \
    ((type *)((char *)(ptr) - offsetof(type, member)))

该函数根据 结构体成员变量的指针，通过该变量相对于结构体的偏移，得到了该变量对应的结构体的指针。

这是一个非常灵活的用法，通过保存某个结构体变量的指针，可以通过该指针反向推出该结构体的指针。在后续案例中有详细解释。

1.2 register_chrdev_region

register_chrdev_region 是 Linux 内核中用于注册字符设备编号范围的函数。该函数为驱动程序预留一段连续的设备号（主设备号 + 起始次设备号），后续将字符设备（通过 cdev_add）绑定到这些设备号上，函数原型如下。

复制代码 
/**
 * first：dev_t 类型，指定要注册的起始设备号。使用 MKDEV(major, minor) 宏生成
 * count：需要注册的连续设备号数量（次设备号的范围）
 * name：设备的名称，该名称会出现在 /proc/devices 文件中，用于标识该组设备号属于哪个驱动。
 * 返回值: 成功返回0
 *        参数无效返回     -EINVAL
 *        设备号被占用返回 -EBUSY
*/
int register_chrdev_region(dev_t first, unsigned int count, const char *name);

1.3 cdev_init

struct cdev 是内核表示字符设备的对象，每个字符设备驱动都需要创建cdev 实例，并将其注册到内核

cdev_init 负责设置 cdev 的基本字段，为后续的 cdev_add 做准备

复制代码 
/*
 * dev：指向要初始化的 struct cdev 结构体的指针。
 *       该结构体可以由驱动静态分配 (kmalloc) ，也可以动态分配 (cdev_alloc)
 * fops：指向 struct file_operations 结构体的指针
 *       该结构体包含了设备支持的各种操作函数（如 open、read、write、ioctl 等）
*/
void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops)
{
    memset(cdev, 0, sizeof *cdev);
    INIT_LIST_HEAD(&cdev->list);
    kobject_init(&cdev->kobj, &ktype_cdev_default);
    cdev->ops = fops;
}

1.4 cdev_add

该函数建立了设备号与字符设备驱动的关联，使 VFS（虚拟文件系统）能够通过设备号找到对应的驱动程序，从而响应用户空间的打开、读写等操作

  • 将 struct cdev 对象与设备号绑定，在内核的字符设备映射表中建立关联

  • 将 cdev 对象加入内核的全局字符设备链表或哈希表，使 VFS 能够根据设备号找到对应的 cdev

  • 激活设备：调用 cdev_add 后，该设备便可以被用户空间访问（需要使用mknod关联到/dev/mydevname）

    /*

    • p：指向 cdev_init() 已经初始化的 struct cdev 对象的指针。
    • dev：分配给该设备的起始设备号，应该与 register_chrdev_region() 向内核申请的设备号位置一致
    • count：与该设备关联的次设备号数量
    • 返回值：成功 0
      参数无效 -EINVAL
      设备号被占用 -EBUSY （理论上在分配设备号时已经检查过，但这里仍可能发生，如动态添加时竞争）
      内存不足 -ENOMEM
      */
      int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);

2. 使用字符设备驱动实现共享内存

下面是使用字符设备驱动实现共享内存的案例，用来快速熟悉驱动函数的使用方法，代码参考书籍为Linux设备驱动详解

复制代码 
#include <linux/init.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/ioctl.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/slab.h>

# define GLOBALMEM_SIZE 1024



# define GLOBALMEM_MAGIC 'M'



# define MEM_CLEAR _IO(GLOBALMEM_MAGIC, 0)



struct globalmem_dev

{

// 字符设备

struct cdev m_cdev;

// 共享内存

unsigned char mem[GLOBALMEM_SIZE];

};


static int globalmem_major = 266;


// 存放两个字符设备私有数据

struct globalmem_dev* globalmem_devp;


/* user open fd /  
static int globalmem_open(struct inode inode, struct file* filp) {


    struct globalmem_dev* dev;
    /* 下面是一种常用的区分次设备号的方法
     * 通过 globalmem_init 初始化时传入不同的 cdev 指针实现区分 */
    // inode 中保存的 i_cdev 指针是 globalmem_init 函数中传入的，globalmem_dev 结构体变量 m_cdev 的指针
    // 所以通过 inode-&gt;i_cdev 指针，即 m_cdev 成员变量的指针，可以找到其对应的结构体指针
    dev = container_of(inode-&gt;i_cdev, struct globalmem_dev, m_cdev);

    // 将设备结构体指针传给文件私有数据指针，提供给其他函数调用时使用
    filp-&gt;private_data = dev;
    return 0;




}


/* user release fd/  
static int globalmem_release(struct inode inode, struct file* filp) {

return 0;

}


/* user read fd /  
static ssize_t globalmem_read(struct file filp, char __user* buf, size_t count, loff_t* ppos) {

unsigned long p = ppos;  
// 获得设备结构体的指针（这是通过open函数传入的指针，实现不同次设备使用不同的共享内存）  
struct globalmem_dev dev = filp->private_data;


    if(p &gt;= GLOBALMEM_SIZE)
    	return 0;
    if(count &gt; GLOBALMEM_SIZE - p)
    	count = GLOBALMEM_SIZE - p;

    copy_to_user(buf, (void*)(dev-&gt;mem + p), count);
    *ppos = p + count;

    return count;




}


/* user write fd /  
static ssize_t globalmem_write(struct file filp, const char __user* buf, size_t count, loff_t* ppos) {

unsigned long p = *ppos;


    // 获得设备结构体的指针
    struct globalmem_dev* dev = filp-&gt;private_data;	

    if(p &gt;= GLOBALMEM_SIZE)
    	return 0;
    if(count &gt; GLOBALMEM_SIZE - p)
    	count = GLOBALMEM_SIZE - p;

    copy_from_user(dev-&gt;mem + p, buf, count);
    *ppos = p + count;
    return count;




}


/* user lseek fd /  
static loff_t globalmem_llseek(struct file filp, loff_t offset, int orig) {

loff_t ret;

switch(orig) {

// 从起始位置开始移动指针

case 0:

if(offset < 0) {

ret = -EINVAL;

break;

}

if((unsigned int)offset > GLOBALMEM_SIZE) {

ret = -EINVAL;

break;

}

filp->f_pos = (unsigned int)offset;

ret = filp->f_pos;

break;

// 从当前位置开始移动指针

case 1:

if((filp->f_pos + offset) > GLOBALMEM_SIZE) {

ret = -EINVAL;

break;

}

if((filp->f_pos + offset) < 0) {

ret = -EINVAL;

break;

}

filp->f_pos += offset;

ret = filp->f_pos;

break;

default:

ret = -EINVAL;

}

return ret;

}


/* user ioctl fd /  
static int globalmem_ioctl(struct inode inodep, struct file* filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {

// 获取设备结构体指针	

struct globalmem_dev* dev = filp->private_data;


    switch(cmd) {
    case MEM_CLEAR:
    	memset(dev-&gt;mem, 0, GLOBALMEM_SIZE);
    	break;
    default:
    	return -EINVAL;
    }
    return 0;




}


static const struct file_operations globalmem_fops = {

.owner = THIS_MODULE,

.open = globalmem_open,

.release = globalmem_release,

.llseek = globalmem_llseek,

.read = globalmem_read,

.write = globalmem_write,

.unlocked_ioctl = globalmem_ioctl

};


/* 设备驱动模块insmod加载函数 */

static int globalmem_init(void) {

// 向 Linux 内核中注册字符设备编号范围

register_chrdev_region(MKDEV(globalmem_major, 0), 2, "globalmem");


    // 为2个次设备以及共享内存分配内存
    globalmem_devp = kmalloc(2 * sizeof(struct globalmem_dev), GFP_KERNEL);
    memset(globalmem_devp, 0, 2 * sizeof(struct globalmem_dev));

    // 初始化字符设备0的基本字段
    cdev_init(&amp;(globalmem_devp[0].m_cdev), &amp;globalmem_fops);
    globalmem_devp[0].m_cdev.owner = THIS_MODULE;
    // 将主设备号globalmem_major次设备号0，与字符设备驱动的关联
    cdev_add(&amp;(globalmem_devp[0].m_cdev), MKDEV(globalmem_major, 0), 1);

    // 初始化字符设备1的基本字段
    cdev_init(&amp;(globalmem_devp[1].m_cdev), &amp;globalmem_fops);
    globalmem_devp[1].m_cdev.owner = THIS_MODULE;
    // 将主设备号globalmem_major次设备号1，与字符设备驱动的关联
    cdev_add(&amp;(globalmem_devp[1].m_cdev), MKDEV(globalmem_major, 1), 1);
    return 0;




}


static int globalmem_exit(void) {

// 注销cdev

cdev_del(&(globalmem_devp[0].m_cdev));

cdev_del(&(globalmem_devp[1].m_cdev));

// 释放设备结构体内存

kfree(globalmem_devp);	

// 释放设备号

dev_t devno = MKDEV(globalmem_major, 0);

unregister_chrdev_region(devno, 2);

}


MODULE_AUTHOR("cear");

MODULE_LICENSE("GPL");

`module_param(globalmem_major, int, S_IRUGO);`
`
module_init(globalmem_init);`
`
module_exit(globalmem_exit);`
热门推荐
01GitHub 镜像站点02Claude Code + GLM4.7 避坑指南：解决 Unable to connect to Anthropic services03PHP Error: 常见错误及其解决方法04爬虫逆向之观安（观镜WEB应用安全防护系统）05HTB 赛季10 - Pterodactyl - user06UV安装并设置国内源07openClaw安装飞书插件｜核心踩坑：spawn EINVAL 错误终极解决指南08243 行 microGPT：把“训练 + 推理”拆到骨头里09BongoCat - 跨平台键盘猫动画工具10openclaw 配置飞书 报错 应用未建立长连接