3. 字符设备驱动框架：设备号注册与注销、file_operations结构体、cdev结构体、设备节点的创建（手动与自动）

字符设备是Linux驱动开发中最基础的设备类型，其核心框架围绕设备号、cdev结构体和file_operations操作集展开。本章将系统讲解字符设备驱动的完整骨架：从设备号的申请与释放，到内核对象的注册与注销，再到用户空间设备节点的创建方式。

3.1 字符设备驱动整体架构

字符设备驱动的用户态与内核态交互遵循“文件操作”抽象模型。应用程序通过open()、read()、write()等系统调用进入内核，VFS层根据设备号找到对应的cdev，再回调驱动注册的file_operations函数指针。

3.2 设备号：主设备号与次设备号

设备号是内核标识字符/块设备的唯一键值，由主设备号和次设备号两部分组成，类型为dev_t（32位无符号整数）。

3.2.1 静态申请 vs 动态分配

设备号注册有两种策略，推荐使用动态分配以避免冲突：

dev_t dev_num;
int ret;

ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_device");
if (ret < 0) {
    pr_err("Failed to allocate device number\n");
    return ret;
}
pr_info("Allocated major=%d minor=%d\n",
        MAJOR(dev_num), MINOR(dev_num));

3.2.2 设备号注销

在驱动卸载时，必须释放已注册的设备号，否则下次加载会失败：

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);

3.3 file_operations 结构体

file_operations 是字符设备驱动的“函数跳转表”，每个成员对应一个系统调用。驱动只需实现需要的回调，未实现的成员置为 NULL，内核会返回 -EINVAL。

static struct file_operations my_fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = my_open,
    .release = my_release,
    .read    = my_read,
    .write   = my_write,
    .unlocked_ioctl = my_ioctl,
    .llseek  = my_llseek,
};

3.4 cdev 结构体：内核设备对象

cdev 是内核中表示字符设备的内部对象，必须在使用前分配并初始化，然后添加到内核设备链表中。

3.4.1 cdev 生命周期

3.4.2 标准初始化代码

struct cdev my_cdev;
dev_t dev_num;

/* 1. 分配设备号 */
alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_device");

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

/* 3. 注册 cdev */
int ret = cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);
if (ret) {
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
    return ret;
}

3.4.3 卸载时清理

cdev_del(&my_cdev);
unregister_chrdev_region(dev_num, 1);

3.5 设备节点的创建

设备节点是用户空间访问驱动的“文件入口”，位于 /dev 目录下。创建方式分为手动和自动两种。

3.5.1 手动创建：mknod

适用于开发调试阶段，需要已知主次设备号：

# 查看已注册的设备号
cat /proc/devices

# 手动创建设备节点
sudo mknod /dev/my_device c 240 0
sudo chmod 666 /dev/my_device

3.5.2 自动创建：udev + class

生产环境必须使用自动创建，依赖内核的 device class 机制和用户空间的 udev 守护进程。

3.5.3 自动创建代码实现

static struct class *my_class;

/* 在 probe 或 init 中 */
my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_device_class");
if (IS_ERR(my_class)) {
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
    return PTR_ERR(my_class);
}

device_create(my_class, NULL, dev_num, NULL, "my_device%d", 0);

/* 在 remove 或 exit 中 */
device_destroy(my_class, dev_num);
class_destroy(my_class);

3.6 完整驱动框架模板

将以上所有要素整合，形成字符设备驱动的标准骨架：

#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) {
    pr_info("Device opened\n");
    return 0;
}

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

static ssize_t my_read(struct file *filp, char __user *buf,
                       size_t len, loff_t *off) {
    pr_info("Read %zu bytes\n", len);
    return 0;
}

static ssize_t my_write(struct file *filp, const char __user *buf,
                        size_t len, loff_t *off) {
    pr_info("Write %zu bytes\n", len);
    return len;
}

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

static int __init my_init(void) {
    int ret;

    /* 1. 分配设备号 */
    ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_device");
    if (ret < 0) return ret;

    /* 2. 初始化并注册 cdev */
    cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
    my_cdev.owner = THIS_MODULE;
    ret = cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);
    if (ret) {
        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
        return ret;
    }

    /* 3. 自动创建设备节点 */
    my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_class");
    if (IS_ERR(my_class)) {
        cdev_del(&my_cdev);
        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
        return PTR_ERR(my_class);
    }
    device_create(my_class, NULL, dev_num, NULL, "my_device");

    pr_info("my_device loaded: major=%d minor=%d\n",
            MAJOR(dev_num), MINOR(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);
    pr_info("my_device unloaded\n");
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Driver Expert");
MODULE_DESCRIPTION("Character device driver template");

3.7 常见错误与排查