📚 课程目录第4章字符设备驱动基础

4. 字符设备驱动基础：从框架到节点创建

字符设备驱动，是Linux驱动开发里最基础、也是最常打交道的一类。说白了，就是那些数据像水流一样，一个一个字节读写的外设——串口、GPIO、LED、按键，都属于这个范畴。

我记得刚入行那会儿，带我的师傅就说：“字符设备驱动你要是搞透了，后面那些块设备、网络设备，理解起来就顺了。” 嗯，今天我们就从最核心的框架开始，一步步把字符设备驱动跑通。

4.1 字符设备驱动框架：三要素

一个完整的字符设备驱动，其实就三个核心部分：

设备号 —— 系统用来识别你的设备的“身份证”
file_operations —— 告诉内核，当用户程序打开、读写、关闭你的设备时，该调用哪个函数
设备节点 —— 用户空间看到的那个“文件”，比如 /dev/mydevice

这三者缺一不可。我见过不少新手，驱动加载成功了，但 ls /dev 下啥也没有，就是因为忘了创建设备节点。

核心流程：

分配并注册设备号
初始化 file_operations 结构体
调用 cdev_init + cdev_add 注册字符设备
在 /dev 下创建设备节点（手动或自动）

4.2 file_operations 结构体：驱动的“函数表”

这个结构体，是驱动和内核之间的契约。你实现了哪些函数，就填哪些字段。没实现的，内核会用默认行为处理。

我个人的习惯是，先把最常用的几个成员列出来：

成员	函数原型	说明
.open	int (open)(struct inode , struct file *)	打开设备时调用，做初始化
.release	int (release)(struct inode , struct file *)	关闭设备时调用，释放资源
.read	ssize_t (read)(struct file , char __user , size_t, loff_t )	从设备读取数据
.write	ssize_t (write)(struct file , const char __user , size_t, loff_t )	向设备写入数据
.unlocked_ioctl	long (unlocked_ioctl)(struct file , unsigned int, unsigned long)	设备控制命令（不用加锁）

小技巧： 在 RK3568 上，建议优先使用 .unlocked_ioctl 而不是 .ioctl。因为新内核已经废弃了带 BKL（大内核锁）的 .ioctl 接口。我之前在移植一个老驱动时就踩过这个坑，编译直接报错。

来看一个最简单的实现：

// 打开设备
static int my_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    printk(KERN_INFO "my_device opened\n");
    return 0;
}

// 关闭设备
static int my_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    printk(KERN_INFO "my_device closed\n");
    return 0;
}

// 定义 file_operations
static struct file_operations my_fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = my_open,
    .release = my_release,
    .read    = NULL,   // 暂时不实现
    .write   = NULL,   // 暂时不实现
};

你想想看，这个结构体其实就是一张函数跳转表。用户程序调用 open("/dev/mydev", O_RDWR) 时，内核 VFS 层就会找到 my_fops 里的 .open 函数来执行。

4.3 设备号：注册与注销

设备号分主设备号和次设备号。主设备号标识驱动类型，次设备号标识同一驱动下的不同设备。

在 RK3568 上，我们可以用动态分配，也可以手动指定。我个人更推荐动态分配——省心，不会跟其他驱动冲突。

#include <linux/fs.h>

#define DEVICE_NAME "my_device"
#define MINOR_NUM   0

dev_t dev_num;  // 存放设备号

// 模块加载时注册
static int __init my_init(void)
{
    int ret;

    // 动态分配设备号
    ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, MINOR_NUM, 1, DEVICE_NAME);
    if (ret < 0) {
        printk(KERN_ERR "alloc_chrdev_region failed\n");
        return ret;
    }

    printk(KERN_INFO "Major number: %d, Minor number: %d\n",
           MAJOR(dev_num), MINOR(dev_num));
    return 0;
}

// 模块卸载时注销
static void __exit my_exit(void)
{
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
    printk(KERN_INFO "Device number unregistered\n");
}

注意： 注销设备号时，次设备号数量和注册时必须一致。我曾经因为注册了 2 个设备但注销时只传了 1，导致系统重启后设备号冲突，排查了半天才发现是这里的问题。

4.4 手动创建设备节点

设备号注册好了，驱动也加载了，但用户空间还看不到设备。为什么？因为 /dev 下还没有对应的节点文件。

手动创建的方式很简单，用 mknod 命令：

# 查看驱动打印的主设备号
dmesg | grep "Major number"

# 假设主设备号是 240
sudo mknod /dev/my_device c 240 0
sudo chmod 666 /dev/my_device

这里的 c 表示字符设备，240 是主设备号，0 是次设备号。

不过说实话，手动创建只适合调试阶段。产品上肯定要用自动创建——那就是 udev 或 devtmpfs 的事了，我们后面章节会专门讲。

4.5 完整示例：一个“会说话”的字符设备

我们把上面的代码串起来，写一个完整的驱动。这个驱动不操作硬件，只在内核日志里打印信息，但麻雀虽小五脏俱全。

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

#define DEVICE_NAME "demo_device"

static dev_t dev_num;
static struct cdev demo_cdev;

static int demo_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    printk(KERN_INFO "demo: open called\n");
    return 0;
}

static int demo_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    printk(KERN_INFO "demo: release called\n");
    return 0;
}

static struct file_operations demo_fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = demo_open,
    .release = demo_release,
};

static int __init demo_init(void)
{
    int ret;

    // 1. 分配设备号
    ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME);
    if (ret) {
        printk(KERN_ERR "demo: alloc_chrdev_region failed\n");
        return ret;
    }

    // 2. 初始化 cdev
    cdev_init(&demo_cdev, &demo_fops);
    demo_cdev.owner = THIS_MODULE;

    // 3. 添加 cdev 到内核
    ret = cdev_add(&demo_cdev, dev_num, 1);
    if (ret) {
        printk(KERN_ERR "demo: cdev_add failed\n");
        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
        return ret;
    }

    printk(KERN_INFO "demo: loaded, major=%d\n", MAJOR(dev_num));
    return 0;
}

static void __exit demo_exit(void)
{
    cdev_del(&demo_cdev);
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
    printk(KERN_INFO "demo: unloaded\n");
}

module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple char device demo for RK3568");

编译加载后，执行：

sudo insmod demo.ko
dmesg | tail -5
# 看到 "demo: loaded, major=XXX"

# 手动创建节点
sudo mknod /dev/demo c XXX 0
sudo chmod 666 /dev/demo

# 测试
cat /dev/demo          # 触发 open 和 release
echo "hello" > /dev/demo  # 同样触发 open 和 release
dmesg | tail -10       # 查看内核日志

验证要点：

ls -l /dev/demo 能看到主次设备号
cat 和 echo 操作后，dmesg 里有对应的 open/release 日志
rmmod demo.ko 后，/dev/demo 节点还在，但操作会报错（因为驱动已卸载）

4.6 避坑指南

做字符设备驱动，有几个坑我当年都踩过，分享给你：

设备号冲突： 手动指定主设备号时，一定要确认没被其他驱动占用。用动态分配最安全。
cdev_add 失败： 检查是否忘了调用 cdev_init，或者设备号范围参数传错了。
节点权限： 默认创建的节点只有 root 能访问。调试时记得 chmod 666，不然普通用户程序打不开。
卸载顺序： 先 cdev_del，再 unregister_chrdev_region。顺序反了可能导致内核崩溃。