2. 字符设备驱动框架

字符设备是 Linux 驱动中最基础的设备类型，其驱动框架围绕 file_operations、dev_t（主次设备号）和 cdev 结构体展开。理解这三者的关系，是编写任何字符设备驱动的第一步。

2.1 核心数据结构总览

字符设备驱动的用户态接口通过 VFS（虚拟文件系统）映射到内核驱动。下图展示了应用层 open/read/write/close 系统调用如何通过 file_operations 回调进入驱动层：

2.2 file_operations 结构体

file_operations 是驱动与 VFS 之间的契约。驱动开发者通过填充该结构体的函数指针，将系统调用映射到具体的硬件操作。

2.3 主次设备号

设备号是内核标识设备的唯一数字，类型为 dev_t（32 位无符号整数）。高 12 位为主设备号，低 20 位为次设备号。

• 主设备号：标识设备对应的驱动。同一类设备共享主设备号（如所有 GPIO 设备可共用同一主设备号）。
• 次设备号：标识同一驱动下的不同设备实例。例如，GPIO 芯片的 8 个引脚可分别使用次设备号 0~7。

设备号分配有两种方式：

2.4 cdev 结构体：注册与注销

cdev 是内核中表示字符设备的对象。驱动必须将 cdev 注册到内核，VFS 才能通过设备号找到对应的 file_operations。

注册流程分为以下步骤：

1. 分配设备号：调用 alloc_chrdev_region 或 register_chrdev_region。
2. 初始化 cdev：调用 cdev_init(&cdev, &fops)，关联 file_operations。
3. 添加 cdev 到内核：调用 cdev_add(&cdev, devno, count)，使设备号与 cdev 绑定。
4. 注销时逆序操作：先 cdev_del，再 unregister_chrdev_region。

2.5 设备节点创建

设备节点是用户空间访问驱动的入口文件，位于 /dev 目录下。节点创建有两种方式：

自动创建设备节点的典型代码片段：

/* 在模块加载函数中 */
static struct class *my_class;
static struct device *my_device;

/* 1. 创建设备类 */
my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_device_class");

/* 2. 创建设备节点，内核自动生成 /dev/mydev0 */
my_device = device_create(my_class, NULL, devno, NULL, "mydev%d", 0);

/* 在模块卸载函数中 */
device_destroy(my_class, devno);   /* 销毁设备 */
class_destroy(my_class);           /* 销毁类 */

2.6 完整驱动框架代码模板

以下是一个最小字符设备驱动的完整框架，整合了上述所有要素：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/uaccess.h>

#define DEVICE_NAME "my_gpio"
#define CLASS_NAME  "gpio_class"

static dev_t dev_num;
static struct cdev my_cdev;
static struct class *my_class;
static struct device *my_device;

/* file_operations 回调实现 */
static int my_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    pr_info("Device opened\n");
    return 0;
}

static int my_release(struct inode *inode, struct file *file) {
    pr_info("Device closed\n");
    return 0;
}

static ssize_t my_read(struct file *file, char __user *buf,
                       size_t len, loff_t *offset) {
    char data = '1';  /* 模拟 GPIO 高电平 */
    if (copy_to_user(buf, &data, 1))
        return -EFAULT;
    return 1;
}

static ssize_t my_write(struct file *file, const char __user *buf,
                        size_t len, loff_t *offset) {
    char data;
    if (copy_from_user(&data, buf, 1))
        return -EFAULT;
    pr_info("Received data: %c\n", data);
    return len;
}

static struct file_operations fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = my_open,
    .release = my_release,
    .read    = my_read,
    .write   = my_write,
};

/* 模块初始化 */
static int __init my_driver_init(void) {
    /* 1. 动态分配设备号 */
    alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME);

    /* 2. 初始化 cdev */
    cdev_init(&my_cdev, &fops);
    my_cdev.owner = THIS_MODULE;

    /* 3. 添加 cdev 到内核 */
    cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);

    /* 4. 自动创建设备节点 */
    my_class = class_create(THIS_MODULE, CLASS_NAME);
    my_device = device_create(my_class, NULL, dev_num, NULL, DEVICE_NAME);

    pr_info("Driver loaded, major=%d minor=%d\n",
            MAJOR(dev_num), MINOR(dev_num));
    return 0;
}

/* 模块退出 */
static void __exit my_driver_exit(void) {
    device_destroy(my_class, dev_num);
    class_destroy(my_class);
    cdev_del(&my_cdev);
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
    pr_info("Driver unloaded\n");
}

module_init(my_driver_init);
module_exit(my_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Driver Developer");
MODULE_DESCRIPTION("Minimal GPIO Character Device Driver");

2.7 本章小结

• file_operations 是驱动与 VFS 的接口契约，必须实现 .open/.release/.read/.write 等回调。
• 设备号 由主设备号（驱动标识）和次设备号（实例标识）组成，推荐使用 alloc_chrdev_region 动态分配。
• cdev 注册 三步曲：cdev_init → cdev_add → 设备节点创建；注销时逆序操作。
• 设备节点 通过 class_create + device_create 自动创建，产品级驱动必须使用此方式。