嵌入式学习——字符设备驱动的注册和调用流程

一、设备驱动的三大类型

字符设备按字节流（串口），块设备按数据块（硬盘），网络设备按数据包（网卡）。

1. 字符设备驱动

定义：以字节流为单位进行数据传输的设备驱动，数据按顺序读写，不支持随机访问。

特点：数据传输量小、读写频率高、操作简单、直接。典型应用包括键盘、鼠标、串口、触摸屏、LED、蜂鸣器等。

文件操作接口：open、read、write、release、ioctl、llseek。

设备标识：通过主设备号和次设备号唯一标识，设备文件存放在/dev目录下。

2. 块设备驱动

定义：以数据块为单位进行数据传输的设备驱动，数据按块（通常为512字节、4KB等）进行读写，支持随机访问。

特点：数据传输量大、读写效率高、支持缓冲区缓存、支持调度算法。典型应用包括硬盘、SSD、SD卡、eMMC、U盘、NAND Flash等。

文件操作接口：open、release、ioctl，以及块设备特有的请求处理函数。

调度算法：支持CFQ、Deadline、NOOP等多种I/O调度算法，优化读写性能。

3. 网络设备驱动

定义：用于网络通信的设备驱动，基于套接字进行数据收发，不遵循Linux文件系统的"一切皆文件"原则。

特点：数据以数据包形式传输、不直接对应/dev目录下的设备文件、使用网络接口名（如eth0、wlan0）标识。典型应用包括以太网卡、WiFi模块、蓝牙模块、4G/5G模块等。

操作接口：通过socket API和网络协议栈进行通信，使用ifconfig、ip等命令配置网络接口。

数据结构：核心数据结构为net_device结构体，包含网络接口的属性和操作函数指针。

二、从用户态到内核态

用户程序调用open(led)后，CPU从用户态切换到内核态，内核的VFS根据设备文件路径找到对应的设备节点，提取出主设备号100。内核通过这个设备号在设备驱动表中查找，找到已注册的led驱动。然后内核调用该驱动的open函数，最终操作硬件层的LED设备。执行成功后，内核返回文件描述符给用户程序。

触发入口

用户在应用程序中调用open("/dev/led", O_RDWR)，C库函数触发系统调用指令（如SWI或SVC），CPU从用户态切换到内核态。

内核匹配驱动

内核的VFS根据路径找到设备文件，从inode中提取主设备号和次设备号。主设备号用于在设备驱动表中定位对应的驱动程序，次设备号用于区分同一驱动下的不同硬件实例。

驱动执行操作

内核通过主设备号找到已注册的驱动，调用驱动的open函数。该函数执行具体硬件操作，如检查设备状态、初始化硬件、寄存器映射等。

返回文件描述符

驱动执行成功后，内核分配一个文件描述符（非负整数）返回给用户程序。后续的read、write、ioctl、close等操作都通过该文件描述符定位对应的驱动函数。

三、设备驱动程序必须提供的四个要素

实现file_operations结构体，分配设备号，向内核注册驱动，创建设备节点。

1、实现操作方法

需要定义一个struct file_operations结构体，至少实现open、read、write、unlocked_ioctl、release（即close）等回调函数。具体步骤是先定义结构体函数指针，将对应的操作函数与驱动实现关联，然后在代码中逐个实现这些函数。在初始阶段，函数内部可以只做打印操作验证调用。

示例结构：

.owner = THIS_MODULE
.open = open
.read = read
.write = write
.release = close

2、分配/注册设备号

设备号用于内核识别和匹配驱动程序。可以采用两种方式：静态申请，使用已知空闲的主设备号；或者动态分配，由内核自动分配可用的设备号。

3、向内核注册驱动

设备节点位于/dev目录下，是用户空间程序访问驱动程序的重要入口。

有两种创建方式：手动创建，使用mknod命令生成设备节点；自动创建，在驱动中使用device_create函数由内核自动生成设备节点。

4、创建设备节点

设备节点位于/dev目录下，是用户空间程序访问驱动程序的重要入口。

有两种创建方式：手动创建，使用mknod命令生成设备节点；自动创建，在驱动中使用device_create函数由内核自动生成设备节点。

四、LED字符设备驱动示例

1、地址映射（ioremap）

Linux启用MMU后，CPU访问虚拟地址，寄存器物理地址不能直接访问。

作用：将物理地址映射到内核虚拟地址空间

使用：ioremap(物理地址, 大小)映射，iounmap()释放

复制代码

// 物理地址映射为虚拟地址
static void __iomem *GPIO1_DR;
GPIO1_DR = ioremap(0x0209C000, 4);

// 卸载时释放
iounmap(GPIO1_DR);

2、用户态数据拷贝

驱动不能直接访问用户空间内存。

copy_from_user：用户数据→内核空间

copy_to_user：内核数据→用户空间

复制代码

char kbuf[32] = {0};
// 用户空间 → 内核空间
copy_from_user(kbuf, buf, len);

// 内核空间 → 用户空间  
copy_to_user(buf, kbuf, len);

3、指令解析

用strcmp比较用户指令，匹配后调用硬件操作函数

复制代码

if (!strcmp(kbuf, "on")) {
    led_on();
} else if (!strcmp(kbuf, "off")) {
    led_off();
}

4、file_operations结构体

定义驱动支持的操作函数：open、read、write、release、unlocked_ioctl

复制代码

static struct file_operations led_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = led_open,
    .read = led_read,
    .write = led_write,
    .release = led_release,
};

5、设备号管理

主设备号：区分设备种类

次设备号：区分同类的不同个体

注销：unregister_chrdev_region()

复制代码

dev_t dev_num;
// 动态分配设备号
alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "led");
// 注销设备号
unregister_chrdev_region(dev_num, 1);

6、字符设备注册

cdev_init：初始化cdev结构体，绑定file_operations

cdev_add：向内核添加字符设备

cdev_del：删除字符设备

复制代码

struct cdev led_cdev;
// 初始化并添加
cdev_init(&led_cdev, &led_fops);
cdev_add(&led_cdev, dev_num, 1);
// 删除
cdev_del(&led_cdev);

7、设备节点创建

手动：mknod命令

自动：class_create创建类，device_create创建设备，自动生成/dev/节点

复制代码

struct class *led_class;
struct device *led_device;

// 创建类
led_class = class_create(THIS_MODULE, "led_class");
// 创建设备
led_device = device_create(led_class, NULL, dev_num, NULL, "led");
// 销毁
device_destroy(led_class, dev_num);
class_destroy(led_class);

8、硬件操作函数

led_on：设置寄存器对应位为1（点亮）

led_off：设置寄存器对应位为0（熄灭）

需要操作GPIO配置寄存器（如方向寄存器、数据寄存器）

复制代码

void led_on(void)
{
    u32 val = readl(GPIO1_DR);
    val |= (1 << 3);    // 设置位3为1
    writel(val, GPIO1_DR);
}

void led_off(void)
{
    u32 val = readl(GPIO1_DR);
    val &= ~(1 << 3);   // 设置位3为0
    writel(val, GPIO1_DR);
}

9、模块加载与卸载

module_init：指定初始化函数（加载时调用）

module_exit：指定退出函数（卸载时调用）

复制代码

module_init(led_init);   // 加载入口
module_exit(led_exit);   // 卸载出口

10、GPL协议声明

MODULE_LICENSE：声明GPL协议

MODULE_AUTHOR：作者信息

MODULE_DESCRIPTION：模块描述

复制代码

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("LED Driver");

总结：

ioremap映射地址，copy_from_user拿数据，strcmp解析指令，file_ops定义接口，cdev注册设备，class_create自动建节点，readl/writel操作硬件。

补：vim的ctags使用方法

生成索引文件

在源码根目录下执行ctags -R命令，会递归遍历所有子目录，生成一个名为tags的索引文件。使用vim打开文件时，工作路径需要和tags索引文件所在路径保持一致，否则vim无法找到索引。

跳转与回退

使用Ctrl + ]可以跳转到光标所在函数或变量的定义处。使用Ctrl + o可以回退到跳转前的位置。