Linux如何开发字符设备驱动_Linux驱动开发入门指南

字符设备驱动是Linux中最基础的设备类型，用于管理键盘、串口等按字节流访问的硬件。通过struct cdev注册设备并绑定file_operations操作接口，在/dev下创建设备节点，应用程序使用open、read、write等系统调用与硬件交互。驱动中需通过copy_to_user和copy_from_user安全传递用户与内核空间数据。示例代码展示了设备的注册、读写实现及模块加载卸载流程，配合Makefile编译后可生成设备节点进行测试，是学习更复杂驱动开发的基础。

在Linux系统中，字符设备是最基础、最常见的设备类型之一。像串口、键盘、LED灯这类能按字节流访问的硬件，通常都通过字符设备驱动来管理。如果你刚开始学习Linux驱动开发，从字符设备入手是一个很好的起点。

理解字符设备的基本概念

字符设备允许程序以字节为单位进行读写操作，不经过系统缓存（也可以支持缓存），直接与硬件交互。它和块设备不同，块设备是按固定大小的数据块访问，主要用于存储设备如硬盘。

每个字符设备在/dev目录下都有一个对应的设备文件，应用程序通过open、read、write等系统调用操作这个文件，内核则将这些调用映射到驱动中的具体函数。

核心结构体是struct cdev，用来在内核中注册设备，并绑定文件操作接口。

编写一个简单的字符设备驱动

下面是一个最简化的字符设备驱动示例，实现基本的打开、读取和写入功能。

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
<h1>define DEVICE_NAME "simple_char"</h1><h1>define BUFFER_SIZE 1024</h1><p>static int major = 0;
static struct cdev char_cdev;
static char device_buffer[BUFFER_SIZE];
static struct class *char_class;
static dev_t dev_num;</p><p>static int char_open(struct inode <em>inode, struct file </em>file) {
printk(KERN_INFO "Device opened\n");
return 0;
}</p><p>static ssize_t char_read(struct file <em>file, char __user </em>buf, size_t len, loff_t <em>offset) {
int ret = 0;
if (</em>offset >= BUFFER_SIZE)
return 0;
if (<em>offset + len > BUFFER_SIZE)
len = BUFFER_SIZE - </em>offset;</p><pre class='brush:php;toolbar:false;'>if (copy_to_user(buf, device_buffer + *offset, len)) {
    return -EFAULT;
}
*offset += len;
ret = len;
printk(KERN_INFO "Read %d bytes\n", ret);
return ret;

}

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static ssize_t char_write(struct file file, const char __user buf, size_t len, loff_t offset) { int ret = 0; if (offset >= BUFFER_SIZE) return -ENOSPC; if (offset + len > BUFFER_SIZE) len = BUFFER_SIZE - offset;

if (copy_from_user(device_buffer + *offset, buf, len)) {
    return -EFAULT;
}
*offset += len;
ret = len;
printk(KERN_INFO "Written %d bytes\n", ret);
return ret;

}

static int char_release(struct inode inode, struct file file) { printk(KERN_INFO "Device closed\n"); return 0; }

static const struct file_operations fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = char_open, .read = char_read, .write = char_write, .release = char_release, };

static int __init char_init(void) { alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME); major = MAJOR(dev_num);

cdev_init(&char_cdev, &fops);
cdev_add(&char_cdev, dev_num, 1);

char_class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);
device_create(char_class, NULL, dev_num, NULL, DEVICE_NAME);

printk(KERN_INFO "Char device registered with major number %d\n", major);
return 0;

}

static void __exit char_exit(void) { cdev_del(&char_cdev); device_destroy(char_class, dev_num); class_destroy(char_class); unregister_chrdev_region(dev_num, 1); printk(KERN_INFO "Char device unregistered\n"); }

module_init(char_init); module_exit(char_exit); MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_AUTHOR("Your Name"); MODULE_DESCRIPTION("A simple character device driver");

说明：

• alloc_chrdev_region：动态分配主设备号。
• cdev_init / cdev_add：初始化并添加cdev结构到系统。
• class_create / device_create：创建设备类并在/dev下生成设备节点（需配合udev）。
• file_operations：定义驱动支持的操作函数集合。

编译与加载驱动

编写Makefile：

obj-m += char_driver.o
<p>KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)</p><p>default:
$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules</p><p>clean:
$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean</p>

然后执行：

make
sudo insmod char_driver.ko
dmesg | tail
ls /dev/simple_char

如果一切正常，你会看到设备节点被创建。可以用echo和cat测试读写：

echo "hello" > /dev/simple_char
cat /dev/simple_char

用户空间与内核空间数据传递

在驱动中不能直接使用指针访问用户传入的缓冲区，必须通过copy_to_user()和copy_from_user()完成安全的数据拷贝。这两个函数会检查地址合法性，避免内核崩溃。

若拷贝失败，应返回-EFAULT错误码。

基本上就这些。掌握这个模板后，你可以扩展支持ioctl、异步通知、轮询等功能。字符设备驱动是通往更复杂驱动（如platform、I2C、SPI）的基石，理解其机制非常关键。

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