📚 课程目录第3章字符设备驱动框架

3. 字符设备驱动框架：file_operations、设备号与cdev

字符设备驱动，说白了就是Linux世界里最基础的一类驱动。你写的第一行驱动代码，十有八九就是它。我刚开始学驱动时，总觉得这东西玄乎——不就是操作几个结构体吗？后来踩了坑才明白，这几个结构体背后藏着整个VFS（虚拟文件系统）的设计哲学。

今天咱们就把字符设备驱动的骨架拆开来看。你掌握了这个框架，后面写任何字符设备驱动，都只是往这个骨架里填肉而已。

3.1 file_operations：驱动与用户态的桥梁

用户程序调用open()、read()、write()时，内核怎么知道该执行哪段驱动代码？答案就在file_operations结构体里。它就是个函数指针表，把系统调用和驱动函数一一对应起来。

核心结构体定义（Linux 5.x内核）：

struct file_operations {
    struct module *owner;
    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    int (*open) (struct inode *, struct file *);
    int (*release) (struct inode *, struct file *);
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    /* ... 还有几十个回调，但常用的就这几个 */
};

我个人习惯，写驱动时至少实现open、release、read、write这四个。其他的按需添加。你想想看，用户程序打不开设备，或者读不到数据，这驱动还有什么意义？

避坑指南：owner字段一定要初始化为THIS_MODULE。我曾经漏掉这个，结果模块卸载时内核直接Oops。这个字段防止模块在被使用时被卸载，相当于一个引用计数锁。

3.2 主次设备号：设备的身份证

Linux用设备号来标识一个设备。主设备号（major）表示设备类型，次设备号（minor）表示同类设备中的第几个。就像小区楼号和门牌号的关系。

概念	含义	示例
主设备号	标识设备驱动类型	89对应I2C，254对应GPIO
次设备号	标识同一驱动下的不同设备	/dev/tty0的minor=0，/dev/tty1的minor=1
设备编号	主次合并后的32位值	MKDEV(major, minor)宏生成

设备号分配有两种方式：

静态分配：调用register_chrdev_region()，需要你知道一个没被占用的主设备号。我建议新手别用这个，万一冲突了，驱动加载会失败。
动态分配：调用alloc_chrdev_region()，内核自动给你分配一个空闲的主设备号。我个人强烈推荐这种方式，省心。

dev_t dev_num;
int major, minor;

// 动态分配设备号
alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_driver");
major = MAJOR(dev_num);
minor = MINOR(dev_num);
printk("Allocated major=%d, minor=%d\n", major, minor);

注意：动态分配的主设备号每次可能不同。你需要在模块加载后通过cat /proc/devices查看，然后手动创建节点。或者用后面讲的自动创建方式。

3.3 cdev注册与注销：驱动核心的注册

cdev是内核里代表字符设备的核心结构体。你得先初始化它，然后注册到内核的设备表中。流程其实就三步：

分配cdev：cdev_alloc()或静态定义
初始化：cdev_init()绑定file_operations
注册：cdev_add()告诉内核这个设备存在了

struct cdev my_cdev;
dev_t dev_num;

// 1. 初始化cdev
cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
my_cdev.owner = THIS_MODULE;

// 2. 注册到内核
cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);  // 第三个参数是设备数量

// 注销时
cdev_del(&my_cdev);
unregister_chrdev_region(dev_num, 1);

嗯，这里要注意顺序。注册时先分配设备号，再添加cdev。注销时反过来，先删除cdev，再释放设备号。我在项目中遇到过有人搞反了顺序，结果设备号已经被别人占用了，cdev却还没删干净，内核报了一堆警告。

3.4 设备节点的创建：让用户态看得见

设备节点就是/dev/目录下的那个文件。没有它，用户程序没法通过open()访问你的设备。创建节点有两种方式：

手动创建：mknod /dev/mydev c 240 0（主设备号240，次设备号0）。调试时可以用，产品里别这么干。
自动创建：使用udev或mdev，配合内核的device_create()接口。这是生产环境的标准做法。

自动创建的代码也很简单：

static struct class *my_class;

// 在模块初始化函数中
my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_class");
device_create(my_class, NULL, dev_num, NULL, "my_device");

// 在模块退出函数中
device_destroy(my_class, dev_num);
class_destroy(my_class);

这样，模块加载后/dev/my_device就自动出现了。用户程序直接open("/dev/my_device", O_RDWR)就能用。

小技巧：用device_create()时，最后一个参数是设备节点名。你可以用格式化字符串，比如"mydev%d", minor，这样每个次设备号对应一个独立节点。

3.5 完整框架流程图

下面这张图把整个流程串起来了。从模块加载到设备节点出现，每一步都离不开。

3.6 完整示例代码

把上面所有知识点揉在一起，就是一个能用的字符设备驱动骨架。你拿去改改就能用：

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

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

static int my_open(struct inode *inode, struct file *filp) {
    printk("Device opened\n");
    return 0;
}

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

static struct file_operations my_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = my_open,
    .release = my_release,
};

static int __init my_init(void) {
    // 1. 分配设备号
    alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_driver");

    // 2. 初始化并注册cdev
    cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
    my_cdev.owner = THIS_MODULE;
    cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);

    // 3. 自动创建设备节点
    my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_class");
    device_create(my_class, NULL, dev_num, NULL, "my_device");

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

static void __exit my_exit(void) {
    device_destroy(my_class, dev_num);
    class_destroy(my_class);
    cdev_del(&my_cdev);
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
    printk("Module unloaded\n");
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

重要提醒：上面的代码只实现了open和release，没有read/write。如果你真的去cat /dev/my_device，会返回什么？嗯，什么都不会返回，因为read函数没实现。实际项目中，至少要把read和write补上，不然用户程序没法交换数据。

字符设备驱动框架，说白了就是这三板斧：设备号、cdev、设备节点。你把这个流程刻在脑子里，后面学什么LED驱动、按键驱动、I2C驱动，都只是在这个框架上做加法。我当年第一次写完这个骨架，insmod之后看到/dev/my_device出现，那种成就感——嗯，你试了就知道了。