📚 课程目录第2章字符设备驱动基础

2. 字符设备驱动基础：file_operations 结构体、cdev 注册、设备号分配与注销

字符设备驱动是嵌入式 Linux 驱动开发中最基础的驱动类型，触摸屏驱动在底层同样遵循字符设备的框架。本章将深入剖析字符设备驱动的三大核心要素：file_operations 结构体、cdev 注册机制以及设备号的分配与注销，为后续与 input 子系统的联动打下坚实基础。

2.1 字符设备驱动核心架构

字符设备驱动的整体工作流程可以概括为：用户空间通过系统调用（open、read、write 等）访问设备文件，VFS（虚拟文件系统）根据设备文件的主设备号找到对应的驱动程序，然后调用驱动中注册的 file_operations 回调函数。下图展示了这一核心架构：

关键理解：字符设备驱动的本质是将设备文件的操作（open/read/write）映射到驱动开发者实现的回调函数。内核通过 cdev 结构体将设备号与 file_operations 绑定在一起。

2.2 file_operations 结构体详解

file_operations 是字符设备驱动的核心接口，定义在 <linux/fs.h> 中。它是一个函数指针结构体，每个成员对应一个系统调用。驱动开发者只需实现需要的回调函数，未实现的成员可以设为 NULL，内核会使用默认行为。

成员名称	对应系统调用	功能描述	触摸屏驱动常用性
`owner`	—	指向拥有该模块的指针，通常设为 `THIS_MODULE`	必须
`open`	`open()`	打开设备时调用，用于初始化硬件、分配资源	常用
`release`	`close()`	关闭设备时调用，用于释放资源、关闭硬件	常用
`read`	`read()`	从设备读取数据，返回给用户空间	常用（读取触摸坐标）
`write`	`write()`	向设备写入数据，如发送配置命令	较少用
`unlocked_ioctl`	`ioctl()`	设备控制命令，用于设置参数、获取状态	常用（校准、模式切换）
`poll`	`poll() / select()`	查询设备是否可读写，用于非阻塞 I/O	常用（事件通知）
`mmap`	`mmap()`	将设备内存映射到用户空间	较少用

触摸屏驱动典型 file_operations 实现：

static struct file_operations touch_fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = touch_open,
    .release = touch_release,
    .read    = touch_read,
    .poll    = touch_poll,
    .unlocked_ioctl = touch_ioctl,
};

2.3 设备号分配与注销

设备号是内核识别字符设备的唯一标识，由主设备号（major）和次设备号（minor）组成。主设备号对应驱动程序，次设备号对应同一驱动管理的不同设备实例。

2.3.1 设备号的数据结构

内核使用 dev_t 类型（32 位无符号整数）表示设备号，其中高 12 位为主设备号，低 20 位为次设备号。操作宏定义在 <linux/kdev_t.h>：

宏/函数	功能	示例
`MAJOR(dev)`	从 dev_t 中提取主设备号	`int major = MAJOR(dev);`
`MINOR(dev)`	从 dev_t 中提取次设备号	`int minor = MINOR(dev);`
`MKDEV(major, minor)`	由主次设备号合成 dev_t	`dev_t dev = MKDEV(200, 0);`

2.3.2 静态分配 vs 动态分配

内核提供两种设备号分配方式：

静态分配：使用 register_chrdev_region()，需要开发者手动指定主设备号。适用于已知且未被占用的设备号，但容易与已有驱动冲突。
动态分配：使用 alloc_chrdev_region()，由内核自动分配未使用的主设备号。推荐用于大多数驱动，避免冲突。

动态分配设备号示例：

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

static dev_t touch_dev_num;  // 全局设备号

static int __init touch_init(void)
{
    int ret;

    // 动态分配设备号：起始次设备号 0，数量 1，名称 "touch"
    ret = alloc_chrdev_region(&touch_dev_num, 0, 1, "touch");
    if (ret < 0) {
        pr_err("Failed to allocate device number\n");
        return ret;
    }

    pr_info("Allocated device number: major=%d, minor=%d\n",
            MAJOR(touch_dev_num), MINOR(touch_dev_num));
    return 0;
}

static void __exit touch_exit(void)
{
    // 注销设备号
    unregister_chrdev_region(touch_dev_num, 1);
    pr_info("Device number unregistered\n");
}

注意：设备号是有限的资源，主设备号范围 0~511（部分架构可能不同）。动态分配可以避免手动指定带来的冲突，但需要在模块退出时使用 unregister_chrdev_region() 正确释放，否则下次加载时可能分配失败。

2.4 cdev 结构体注册与注销

cdev 是内核中表示字符设备的核心结构体，定义在 <linux/cdev.h>。它将设备号与 file_operations 绑定在一起，并加入内核的设备链表。

2.4.1 cdev 初始化与注册流程

分配 cdev 对象：使用 cdev_alloc() 动态分配，或静态定义后使用 cdev_init() 初始化。
设置 file_operations：将 cdev 的 ops 成员指向已实现的 file_operations 结构体。
设置 owner：通常设为 THIS_MODULE，用于模块引用计数。
注册到内核：调用 cdev_add()，将 cdev 与设备号关联。

完整 cdev 注册示例：

#include <linux/cdev.h>

static struct cdev touch_cdev;  // 静态定义 cdev 对象

static int __init touch_init(void)
{
    int ret;
    dev_t dev_num;

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

    // 2. 初始化 cdev
    cdev_init(&touch_cdev, &touch_fops);
    touch_cdev.owner = THIS_MODULE;

    // 3. 注册 cdev 到内核
    ret = cdev_add(&touch_cdev, dev_num, 1);
    if (ret < 0) {
        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
        pr_err("Failed to add cdev\n");
        return ret;
    }

    pr_info("Touch device registered: major=%d minor=%d\n",
            MAJOR(dev_num), MINOR(dev_num));
    return 0;
}

static void __exit touch_exit(void)
{
    // 1. 注销 cdev
    cdev_del(&touch_cdev);

    // 2. 释放设备号
    unregister_chrdev_region(touch_dev_num, 1);

    pr_info("Touch device unregistered\n");
}

2.4.2 cdev 注册与注销的完整生命周期

下图展示了从设备号分配到 cdev 注册，再到模块卸载时释放的完整流程：

2.5 设备节点自动创建：udev 与 class

仅注册 cdev 还不够，用户空间需要通过设备文件（如 /dev/touch0）访问设备。传统方式使用 mknod 手动创建设备节点，现代 Linux 系统使用 udev 自动管理。驱动开发者需要创建 device class 和 device，udev 会自动在 /dev/ 下生成对应的设备文件。

自动创建设备节点示例：

#include <linux/device.h>

static struct class *touch_class;
static struct device *touch_device;

static int __init touch_init(void)
{
    // ... 分配设备号、注册 cdev ...

    // 创建设备类
    touch_class = class_create(THIS_MODULE, "touch_class");
    if (IS_ERR(touch_class)) {
        // 错误处理
    }

    // 创建设备节点 /dev/touch0
    touch_device = device_create(touch_class, NULL, dev_num,
                                 NULL, "touch%d", 0);
    if (IS_ERR(touch_device)) {
        // 错误处理
    }
    return 0;
}

static void __exit touch_exit(void)
{
    // 销毁设备节点
    device_destroy(touch_class, dev_num);
    // 销毁设备类
    class_destroy(touch_class);

    cdev_del(&touch_cdev);
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
}

2.6 本章小结

核心概念	关键函数/结构体	注意事项
file_operations	`struct file_operations`	未使用的回调设为 NULL；owner 必须设为 THIS_MODULE
设备号分配	`alloc_chrdev_region()` / `register_chrdev_region()`	优先使用动态分配；模块退出时必须释放
cdev 注册	`cdev_init()` / `cdev_add()`	cdev_add 成功后，设备立即可用；注销时先 cdev_del
设备节点	`class_create()` / `device_create()`	配合 udev 自动生成 /dev 节点；卸载时需销毁