3. 字符设备驱动基础概念

字符设备驱动是 Linux 内核驱动中最基础、最常用的驱动类型，也是 Android 内核扩展与硬件抽象的核心实现方式。本章将系统讲解字符设备驱动的四个核心概念：设备文件、主设备号与次设备号、file_operations 结构体以及模块加载与卸载。理解这些概念是后续编写 ioctl 实战代码的基石。

3.1 设备文件

在 Linux 系统中，一切皆文件。硬件设备也通过设备文件（又称设备节点）暴露给用户空间。设备文件位于 /dev 目录下，用户程序通过标准的文件操作接口（open、read、write、ioctl、close）与设备通信，无需关心底层硬件细节。

设备文件有两种类型：

创建设备文件有两种方式：

• 手动创建：使用 mknod 命令，例如 mknod /dev/mydevice c 240 0。
• 自动创建：驱动中使用 class_create 和 device_create 接口，由 udev/mdev 自动在 /dev 下生成设备节点。这是 Android 和现代 Linux 系统的推荐做法。

3.2 主设备号与次设备号

每个设备文件都对应一个设备号，由主设备号（major number）和次设备号（minor number）组成。设备号是内核识别和定位驱动的关键标识。

设备号在内核中使用 dev_t 类型表示（32 位无符号整数）。内核提供了以下宏来操作设备号：

#include <linux/types.h>
#include <linux/kdev_t.h>

dev_t devno;                     // 设备号变量
int major = MAJOR(devno);        // 从 dev_t 提取主设备号
int minor = MINOR(devno);        // 从 dev_t 提取次设备号
devno = MKDEV(major, minor);     // 由主次设备号合成 dev_t

设备号注册与释放的典型流程：

• 静态注册：register_chrdev_region(dev_t from, unsigned count, const char *name) — 已知主设备号时使用。
• 动态分配：alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name) — 推荐方式，由内核自动分配未使用的主设备号。
• 释放：unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count) — 模块卸载时必须调用。

3.3 file_operations 结构体

file_operations 是字符设备驱动的核心数据结构，定义在 <linux/fs.h> 中。它是一组函数指针的集合，将用户空间的系统调用与内核驱动的具体实现绑定在一起。

以下是字符设备驱动最常用的成员：

典型的 file_operations 定义示例：

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

/* 设备打开函数 */
static int mydev_open(struct inode *inode, struct file *filp) {
    pr_info("mydev: device opened\n");
    return 0;
}

/* 设备关闭函数 */
static int mydev_release(struct inode *inode, struct file *filp) {
    pr_info("mydev: device closed\n");
    return 0;
}

/* ioctl 控制函数（实战核心） */
static long mydev_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
    pr_info("mydev: ioctl cmd=0x%x\n", cmd);
    return 0;
}

/* 绑定 file_operations 结构体 */
static const struct file_operations mydev_fops = {
    .owner          = THIS_MODULE,
    .open           = mydev_open,
    .release        = mydev_release,
    .unlocked_ioctl = mydev_ioctl,
    .read           = NULL,   // 暂不支持
    .write          = NULL,   // 暂不支持
};

3.4 模块加载与卸载

Linux 驱动以内核模块（kernel module）的形式存在，可以动态加载到内核或从内核卸载，无需重新编译整个内核。字符设备驱动的生命周期由模块加载和卸载函数管理。

模块的入口与出口函数：

完整的字符设备驱动模板（加载与卸载部分）：

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

#define DEVICE_NAME "mydev"
#define CLASS_NAME  "mydev_class"

static int major;
static struct class *mydev_class = NULL;
static struct device *mydev_device = NULL;
static struct cdev mydev_cdev;

/* 模块加载函数 */
static int __init mydev_init(void) {
    dev_t devno;
    int ret;

    /* 1. 动态分配设备号 */
    ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, DEVICE_NAME);
    if (ret < 0) {
        pr_err("mydev: failed to allocate major number\n");
        return ret;
    }
    major = MAJOR(devno);
    pr_info("mydev: major number = %d\n", major);

    /* 2. 初始化 cdev 并绑定 file_operations */
    cdev_init(&mydev_cdev, &mydev_fops);
    mydev_cdev.owner = THIS_MODULE;

    /* 3. 添加 cdev 到内核 */
    ret = cdev_add(&mydev_cdev, devno, 1);
    if (ret < 0) {
        pr_err("mydev: failed to add cdev\n");
        unregister_chrdev_region(devno, 1);
        return ret;
    }

    /* 4. 创建 device class 和设备节点 */
    mydev_class = class_create(THIS_MODULE, CLASS_NAME);
    if (IS_ERR(mydev_class)) {
        pr_err("mydev: failed to create class\n");
        cdev_del(&mydev_cdev);
        unregister_chrdev_region(devno, 1);
        return PTR_ERR(mydev_class);
    }

    mydev_device = device_create(mydev_class, NULL, devno, NULL, DEVICE_NAME);
    if (IS_ERR(mydev_device)) {
        pr_err("mydev: failed to create device\n");
        class_destroy(mydev_class);
        cdev_del(&mydev_cdev);
        unregister_chrdev_region(devno, 1);
        return PTR_ERR(mydev_device);
    }

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

/* 模块卸载函数 */
static void __exit mydev_exit(void) {
    dev_t devno = MKDEV(major, 0);

    device_destroy(mydev_class, devno);   // 销毁设备节点
    class_destroy(mydev_class);           // 销毁 class
    cdev_del(&mydev_cdev);               // 删除 cdev
    unregister_chrdev_region(devno, 1);   // 释放设备号

    pr_info("mydev: driver unloaded\n");
}

module_init(mydev_init);
module_exit(mydev_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Android Kernel Driver Course");
MODULE_DESCRIPTION("A simple character device driver example");