3. 字符设备驱动基础（一）：主设备号与次设备号、设备文件、file_operations 结构体、简单的字符设备驱动实现

字符设备是嵌入式 Linux 驱动开发中最基础、最常用的设备类型。本章将深入剖析字符设备驱动的核心概念：主设备号与次设备号、设备文件以及file_operations 结构体，并通过一个完整的示例，带你实现第一个简单的字符设备驱动。

3.1 主设备号与次设备号

在 Linux 内核中，每个设备都由一个 设备号 唯一标识。设备号是一个 dev_t 类型的 32 位无符号整数，其中高 12 位表示主设备号（major number），低 20 位表示次设备号（minor number）。

• 主设备号：用于标识设备对应的驱动程序。不同的设备驱动拥有不同的主设备号。内核通过主设备号找到正确的驱动。
• 次设备号：由驱动程序内部使用，用于区分同一种驱动控制下的不同物理设备或逻辑单元。例如，一个串口驱动可以管理多个串口，每个串口使用相同的驱动（主设备号相同），但次设备号不同。

3.2 设备文件

在 Linux 用户空间，设备通过 设备文件（又称设备节点）来访问。设备文件位于 /dev 目录下，是用户程序与内核驱动交互的桥梁。用户程序通过标准的文件操作（如 open、read、write）对设备文件进行操作，内核将这些操作转发给对应的驱动程序。

设备文件有两种类型：

• 字符设备文件：以 c 开头，对应字符设备驱动，数据以字节流形式访问。
• 块设备文件：以 b 开头，对应块设备驱动，数据以块为单位访问。

创建设备文件可以使用 mknod 命令：

mknod /dev/mydevice c 240 0

其中 c 表示字符设备，240 是主设备号，0 是次设备号。

3.3 file_operations 结构体

file_operations 结构体是字符设备驱动的核心，它定义了驱动能够响应的所有文件操作函数指针。当用户程序对设备文件执行系统调用时，内核通过该结构体找到对应的驱动函数并执行。

常用的成员函数包括：

3.4 简单的字符设备驱动实现

下面我们通过一个完整的示例，实现一个简单的字符设备驱动。该驱动在内存中维护一个缓冲区，支持 open、read、write 和 release 操作。

3.4.1 驱动代码框架

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/slab.h>

#define DEVICE_NAME "my_char_dev"
#define BUFFER_SIZE 1024

static int major;
static char *kernel_buffer;

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

/* 释放设备 */
static int my_release(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk(KERN_INFO "Device closed\n");
    return 0;
}

/* 从设备读取数据 */
static ssize_t my_read(struct file *file, char __user *user_buf,
                       size_t count, loff_t *pos) {
    size_t available = BUFFER_SIZE - *pos;
    size_t to_read = count < available ? count : available;

    if (to_read == 0)
        return 0;

    if (copy_to_user(user_buf, kernel_buffer + *pos, to_read)) {
        return -EFAULT;
    }

    *pos += to_read;
    return to_read;
}

/* 向设备写入数据 */
static ssize_t my_write(struct file *file, const char __user *user_buf,
                        size_t count, loff_t *pos) {
    size_t available = BUFFER_SIZE - *pos;
    size_t to_write = count < available ? count : available;

    if (to_write == 0)
        return -ENOSPC;

    if (copy_from_user(kernel_buffer + *pos, user_buf, to_write)) {
        return -EFAULT;
    }

    *pos += to_write;
    return to_write;
}

/* file_operations 结构体定义 */
static struct file_operations my_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_init(void) {
    major = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &my_fops);
    if (major < 0) {
        printk(KERN_ALERT "Failed to register device\n");
        return major;
    }

    kernel_buffer = kmalloc(BUFFER_SIZE, GFP_KERNEL);
    if (!kernel_buffer) {
        unregister_chrdev(major, DEVICE_NAME);
        return -ENOMEM;
    }
    memset(kernel_buffer, 0, BUFFER_SIZE);

    printk(KERN_INFO "Module loaded, major number: %d\n", major);
    return 0;
}

/* 模块退出 */
static void __exit my_exit(void) {
    kfree(kernel_buffer);
    unregister_chrdev(major, DEVICE_NAME);
    printk(KERN_INFO "Module unloaded\n");
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple character device driver");

3.4.2 驱动加载与测试步骤

1. 编译驱动：使用内核源码树中的 Makefile 编译生成 .ko 文件。
2. 加载模块：sudo insmod my_char_dev.ko，查看内核日志确认主设备号。
3. 创建设备文件：sudo mknod /dev/my_char_dev c <major> 0。
4. 测试读写：
   • 写入：echo "Hello, Driver!" > /dev/my_char_dev
   • 读取：cat /dev/my_char_dev
5. 卸载模块：sudo rmmod my_char_dev，并删除设备文件。

3.5 本章小结

• 主设备号标识驱动，次设备号标识设备实例。
• 设备文件是用户空间访问内核驱动的入口，位于 /dev 目录。
• file_operations 结构体定义了驱动支持的所有文件操作，是驱动与 VFS 的接口。
• 通过 register_chrdev 注册驱动，通过 mknod 创建设备文件，即可完成一个基础字符设备驱动的加载与测试。