📚 课程目录第3章字符设备驱动基础

3. 字符设备驱动基础：file_operations结构体、主次设备号、设备节点的创建与注销

好，咱们进入第三章。这一章是驱动开发的基石，说白了就是搞清楚“驱动怎么跟应用程序打交道”。你写一个传感器驱动，最终目的就是让用户空间的程序能通过 open、read、write、ioctl 这些标准接口来操作你的硬件。那内核怎么知道调用你的函数？答案就在 file_operations 结构体里。

我个人习惯，每写一个新驱动，第一件事就是把 file_operations 结构体搭好。它就像一张函数跳转表，把应用层的系统调用和你的驱动函数一一对应起来。

3.1 file_operations 结构体：驱动的“函数跳转表”

这个结构体定义在 <linux/fs.h> 里，成员非常多，但大部分时候我们只实现其中几个。我刚开始学驱动时，看到这个结构体几十个成员，头都大了。其实不用怕，你只需要关注你的设备需要哪些操作。

对于传感器驱动，最常用的几个成员是：

成员	函数原型	什么时候被调用
`open`	`int (open)(struct inode , struct file *)`	应用层调用 `open()` 时
`release`	`int (release)(struct inode , struct file *)`	应用层调用 `close()` 时
`read`	`ssize_t (read)(struct file , char __user , size_t, loff_t )`	应用层调用 `read()` 时
`write`	`ssize_t (write)(struct file , const char __user , size_t, loff_t )`	应用层调用 `write()` 时
`unlocked_ioctl`	`long (unlocked_ioctl)(struct file , unsigned int, unsigned long)`	应用层调用 `ioctl()` 时

关键点： read 和 write 函数的第二个参数是 char __user *，这个 __user 宏告诉你，这个指针指向的是用户空间的内存。你不能直接在内核里解引用它，必须用 copy_to_user() 和 copy_from_user() 来安全地拷贝数据。我曾经见过新手直接在内核里用 memcpy 操作这个指针，结果内核直接 oops 了。

下面是一个典型的传感器驱动 file_operations 定义：

static int sensor_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    // 初始化硬件，比如开启传感器电源、配置I2C
    pr_info("Sensor device opened\n");
    return 0;
}

static int sensor_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    // 关闭设备，释放资源
    pr_info("Sensor device closed\n");
    return 0;
}

static ssize_t sensor_read(struct file *filp, char __user *buf,
                           size_t count, loff_t *f_pos)
{
    uint8_t data[4];
    // 从传感器寄存器读取数据
    // ...
    if (copy_to_user(buf, data, sizeof(data))) {
        return -EFAULT;
    }
    return sizeof(data);
}

static struct file_operations sensor_fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = sensor_open,
    .release = sensor_release,
    .read    = sensor_read,
    .write   = NULL,  // 传感器通常只读，写操作可以留空
};

小技巧： 如果你的设备是只读的（比如温度传感器），write 成员可以设为 NULL。应用层尝试写入时，内核会直接返回 -EINVAL，省得你写一堆错误处理代码。

3.2 主次设备号：设备的“身份证”

设备号是内核用来标识一个设备的关键。它由两部分组成：主设备号（major）和次设备号（minor）。

主设备号： 用来标识设备对应的驱动程序。比如，所有的 I2C 字符设备可能共享一个主设备号。
次设备号： 由驱动程序自己管理，用来区分同一个驱动控制下的不同设备实例。比如，你有两个温度传感器挂在同一个 I2C 总线上，可以用不同的次设备号来区分它们。

设备号的分配有两种方式：

方式	函数	适用场景
静态分配	`register_chrdev_region()`	你知道设备号，或者设备号是固定的（比如某些 legacy 设备）
动态分配	`alloc_chrdev_region()`	推荐方式，让内核自动分配，避免设备号冲突

我个人强烈建议用动态分配。为什么？因为静态分配需要你去查 Documentation/admin-guide/devices.txt，确保你用的主设备号没有被占用。我早期做项目时，图省事用了静态分配，结果跟系统里已有的一个驱动冲突了，折腾了半天才找到原因。从那以后，我所有新驱动都用 alloc_chrdev_region()。

动态分配的示例：

#define SENSOR_DEVICE_NAME "my_sensor"
#define SENSOR_MINOR_COUNT 2  // 两个次设备号

static dev_t sensor_dev_num;

static int __init sensor_init(void)
{
    int ret;

    // 动态分配设备号
    ret = alloc_chrdev_region(&sensor_dev_num, 0,
                              SENSOR_MINOR_COUNT, SENSOR_DEVICE_NAME);
    if (ret < 0) {
        pr_err("Failed to allocate device numbers\n");
        return ret;
    }

    pr_info("Allocated device number: major=%d, minor=%d\n",
            MAJOR(sensor_dev_num), MINOR(sensor_dev_num));
    return 0;
}

static void __exit sensor_exit(void)
{
    unregister_chrdev_region(sensor_dev_num, SENSOR_MINOR_COUNT);
}

注意： 卸载模块时，一定要调用 unregister_chrdev_region() 释放设备号。否则下次加载模块时，动态分配可能会失败，或者更糟——你可能会拿到一个已经被占用的设备号。

3.3 设备节点的创建与注销：让用户空间“看到”设备

设备号分配好了，但用户空间怎么访问它？答案是设备节点。设备节点是一个特殊的文件，通常放在 /dev 目录下。应用层通过 open("/dev/my_sensor0", O_RDWR) 来打开它，内核根据这个文件的设备号找到对应的驱动。

创建设备节点有两种方法：

手动创建： 使用 mknod /dev/my_sensor0 c 240 0 命令。这需要你知道主设备号，而且每次重启后都要重新创建。
自动创建： 使用 Linux 设备模型（device model）和 udev/mdev。驱动注册一个设备，内核自动在 /dev 下生成节点。这是现代 Linux 的标准做法。

自动创建的核心是 class_create() 和 device_create() 这两个函数。我画了一张图，帮你理清它们之间的关系：

嗯，这里要注意顺序。先分配设备号，再添加字符设备（cdev_add），最后创建设备节点。反过来，卸载时先销毁设备节点，再删除字符设备，最后释放设备号。

完整的代码示例：

static struct class *sensor_class;
static struct device *sensor_device;

static int __init sensor_init(void)
{
    int ret;

    // 1. 动态分配设备号
    ret = alloc_chrdev_region(&sensor_dev_num, 0, 2, "my_sensor");
    if (ret < 0) return ret;

    // 2. 初始化并添加字符设备
    cdev_init(&sensor_cdev, &sensor_fops);
    sensor_cdev.owner = THIS_MODULE;
    ret = cdev_add(&sensor_cdev, sensor_dev_num, 2);
    if (ret < 0) {
        unregister_chrdev_region(sensor_dev_num, 2);
        return ret;
    }

    // 3. 创建 class 和 device（自动生成 /dev 节点）
    sensor_class = class_create(THIS_MODULE, "sensor_class");
    if (IS_ERR(sensor_class)) {
        cdev_del(&sensor_cdev);
        unregister_chrdev_region(sensor_dev_num, 2);
        return PTR_ERR(sensor_class);
    }

    sensor_device = device_create(sensor_class, NULL,
                                  sensor_dev_num, NULL, "my_sensor0");
    if (IS_ERR(sensor_device)) {
        class_destroy(sensor_class);
        cdev_del(&sensor_cdev);
        unregister_chrdev_region(sensor_dev_num, 2);
        return PTR_ERR(sensor_device);
    }

    pr_info("Sensor driver loaded successfully\n");
    return 0;
}

static void __exit sensor_exit(void)
{
    // 卸载顺序与加载相反
    device_destroy(sensor_class, sensor_dev_num);
    class_destroy(sensor_class);
    cdev_del(&sensor_cdev);
    unregister_chrdev_region(sensor_dev_num, 2);
    pr_info("Sensor driver unloaded\n");
}

调试小技巧： 加载模块后，用 ls -l /dev/my_sensor* 查看设备节点是否生成。如果没生成，检查 dmesg 看是否有错误。我曾经遇到过 device_create() 返回 NULL，结果是因为内核配置里没开 CONFIG_DEVTMPFS。

3.4 避坑指南：我踩过的几个坑

做驱动开发，有些坑是绕不开的。我把自己踩过的几个分享给你：

设备节点权限问题： 默认生成的设备节点权限是 0600，只有 root 能访问。如果你的传感器需要被普通用户读取，可以在 device_create() 之后用 chmod 修改，或者在 udev 规则里设置 MODE="0666"。
次设备号耗尽： 动态分配时指定了次设备号数量（比如 2 个），如果后续需要更多，必须提前规划好。我有个项目，一开始只分配了 1 个次设备号，后来要支持多个传感器，不得不改代码重新分配。
cdev_add 失败： 最常见的原因是设备号冲突，或者 file_operations 结构体没有正确初始化。检查 owner 字段是否设为 THIS_MODULE，否则内核模块计数会出问题。

重要提醒： 在 sensor_init() 中，每一步都可能失败。一定要做好错误处理，确保在任意一步失败时，已经分配的资源都能被正确释放。否则，模块加载失败后，系统里会留下孤儿资源，下次加载时可能出问题。