字符设备驱动程序

Linux 驱动程序开发概述

①应用程序、库、内核、驱动程序的关系

以点亮一个 LED 为例，这 4 层软件的协作关系如下所示：

应用程序使用库提供的 open 函数打开代表 LED 的设备文件。
库根据 open 函数传入的参数执行“swi”指令，这条指令会引起 CPU 异常，进入内核。
内核的异常处理函数根据这些参数找到相应的驱动程序，返回一个文件句柄给库，进而返回给应用程序。
应用程序得到文件句柄后，使用库提供的 write 或 ioclt 函数发出控制命令。
库根据 write 或 ioclt 函数传入的参数执行“swi”指令，这条指令会引起 CPU 异常，进入内核。
内核的异常处理函数根据这些参数调用驱动程序的相关函数，点亮 LED。

②驱动程序的分类和开发步骤

1. 字符设备（Character Device）

核心特征：以字节流为单位读写，类似文件访问，无强制缓冲区要求（可自行实现缓冲区提升效率）。

接口实现：驱动需实现open、close、read、write等系统调用，应用层通过/dev目录下的设备文件（如/dev/ttySAC0）访问。

典型例子：串口设备，数据收发以单个字节为单位进行。

2. 块设备（Block Device）

核心特征：数据以固定块（或页）为单位存储（如NAND Flash按页存储）。

用户层接口：与字符设备一致，通过设备文件（如/dev/mtdblock0、/dev/hda1）调用标准系统调用，用户无感知差异

特殊之处：

硬件操作逻辑：需先将用户数据组织成块再读写，或从设备读块数据后提取用户所需内容。
数据格式与内核接口：块设备需支持文件系统格式，驱动除面向用户层接口外，还需向内核提供底层接口，支持文件系统挂载（mount）。

块设备本身仅负责 “按固定大小块存储原始数据”（类似仓库的货架格子，只存东西不分类别），但杂乱的数据块无法被用户识别（不知道哪个块对应哪个文件）。

文件系统就是 “整理规则”：定义数据块的组织方式（如文件名、权限、存储位置、目录结构），比如 EXT4、FAT32 就是不同的规则。

挂载的本质是 “将文件系统规则绑定到块设备”，让内核知道 “如何解读这个块设备里的数据”。而驱动的内核层接口就是 “绑定的关键”：文件系统需要通过驱动提供的底层接口，实现对块设备的读写控制（如读取超级块、分配数据块），没有这些接口，文件系统无法操作块设备，自然无法挂载。

3. 网络接口（Network Interface）

核心特征：兼具字符/块设备部分特点，无法归入前两类，数据以非固定大小的报文/包/帧为单位传输。

访问方式：分配唯一名称（如eth0），但/dev目录下无对应节点；通信不依赖open、readwrite，而是通过内核/库提供的数据包传输专用函数。

标准开发流程

硬件调研：查看原理图、设备数据手册，明确硬件操作逻辑（如寄存器地址、读写时序）。
模板选型：内核中寻找相近驱动作为模板（优先复用现有框架），特殊场景需从零开发。
初始化实现：向内核注册驱动，使内核能通过应用层传入的文件名匹配到对应驱动。
操作函数设计：实现核心系统调用对应的函数（如open、close、read、write），封装硬件操作逻辑。
中断服务（可选）：若设备支持中断（如按键、串口），编写中断服务程序，处理硬件中断事件。
编译与加载：将驱动编译进内核，或通过insmod命令动态加载（调试阶段优先动态加载）。
测试验证：编写应用程序调用设备文件，测试驱动功能完整性、稳定性及异常场景适配性。

③驱动程序的加载和卸载

可以将驱动程序静态编译进内核中，也可以将它作为模块在使用时再加载。

当使用 insmod 加载模块时，模块的初始化函数被调用，它用来向内核注册驱动程序；当使用 rmmod 卸载模块时，模块的清除函数被调用。在驱动代码中，这两个函数要么取固定的名字：init_module 和 cleanup_module，要么使用以下两行来标记它们（假设初始化函数、清除函数为 my_init 和 my_cleanup）。

宏	作用
`module_init()`	告诉内核：模块加载时，调用哪个函数
`module_exit()`	告诉内核：模块卸载时，调用哪个函数

module_init(my_init); module_exit(my_cleanup);

字符设备驱动程序开发

对于每个系统调用，驱动程序中都有一个与之对应的函数。对于字符设备驱动程序，这些函数集合在一个 file_operations 类型的数据结构中。file_operations 结构在 Linux 内核include/linux/fs.h 文件中定义。

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 *); ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*sendfile) (struct file *, loff_t *, size_t, read_actor_t, void *); ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long); int (*check_flags)(int); int (*dir_notify)(struct file *filp, unsigned long arg); int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int); ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int); };

当应用程序使用 open 函数打开某个设备时，设备驱动程序的 file_operations 结构中的open 成员就会被调用；当应用程序使用 read、write、ioctl 等函数读写、控制设备时，驱动程序的 file_operations 结构中的相应成员（read、write、ioctl 等）就会被调用。从这个角度来说，编写字符设备驱动程序就是为具体硬件的 file_operations 结构编写各个函数（并不需要全部实现 file_operations 结构中的成员）。
那么，当应用程序通过 open、read、write 等系统调用访问某个设备文件时，Linux 系统怎么知道去调用哪个驱动程序的 file_operations 结构中的 open、read、write 等成员呢？

（1）设备文件有主/次设备号。
设备文件分为字符设备、块设备，比如 PC 机上的串口属于字符设备，硬盘属于块设备。在 PC 上运行命令“ls /dev/ttyS0 /dev/hda1-l”可以看到：

brw-rw---- 1 root disk 3, 1 Jan 30 2003 /dev/hda1 crw-rw---- 1 root uucp 4, 64 Jan 30 2003 /dev/ttyS0

“brw-rw----”中的“b”表示/dev/hda1 是个块设备，它的主设备号为 3，次设备号为 1；
“crw-rw----”中的“c”表示/dev/ttyS0 是个块设备，它的主设备号为 4，次设备号为 64。
（2）模块初始化时，将主设备号与 file_operations 结构一起向内核注册。
驱动程序有一个初始化函数，在安装驱动程序时会调用它。在初始化函数中，会将驱动程序的 file_operations 结构连同其主设备号一起向内核进行注册。对于字符设备使用如下以下函数进行注册：

int register_chrdev(unsigned int major, const char * name, struct file_ operations *fops);

这样，应用程序操作设备文件时，Linux 系统就会根据设备文件的类型（是字符设备还是块设备）、主设备号找到在内核中注册的 file_operations 结构（对于块设备为 block_device_
operations 结构），次设备号供驱动程序自身用来分辨它是同类设备中的第几个。
编写字符驱动程序的过程大概如下。
（1）编写驱动程序初始化函数。
进行必要的初始化，包括硬件初始化（也可以放其他地方）、向内核注册驱动程序等。
（2）构造 file_operations 结构中要用到的各个成员函数。
实际的驱动程序当然比上述两个步骤复杂，但这两个步骤已经可以让我们编写比较简单的驱动程序，比如 LED 控制。

LED 驱动程序代码分析

下面按照函数调用的顺序进行讲解，模块的初始化函数和卸载函数如下：

86 /* 87 * 执行“insmod s3c24xx_leds.ko”命令时就会调用这个函数 88 */ 89 static int __init s3c24xx_leds_init(void) 90 { 91 int ret; 92 93 /* 注册字符设备驱动程序 94 * 参数为主设备号、设备名字、file_operations 结构； 95 * 这样，主设备号就和具体的 file_operations 结构联系起来了， 96 * 操作主设备为 LED_MAJOR 的设备文件时，就会调用 s3c24xx_leds_fops 中的相关成 员函数 97 * LED_MAJOR 可以设为 0，表示由内核自动分配主设备号 98 */ 99 ret = register_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME, &s3c24xx_leds_fops); 100 if (ret < 0) { 101 printk(DEVICE_NAME " can't register major number\n"); 102 return ret; 103 } 104 105 printk(DEVICE_NAME " initialized\n"); 106 return 0; 107 } 108 109 /* 110 * 执行“rmmod s3c24xx_leds.ko”命令时就会调用这个函数 111 */ 112 static void __exit s3c24xx_leds_exit(void) 113 { 114 /* 卸载驱动程序 */ 115 unregister_chrdev(LED_MAJOR, DEVICE_NAME); 116 } 117 118 /* 这两行指定驱动程序的初始化函数和卸载函数 */ 119 module_init(s3c24xx_leds_init); 120 module_exit(s3c24xx_leds_exit); 121

第 119、120 两行用来指明装载、卸载模块时所调用的函数。也可以不使用这两行，但是需要将这两个函数的名字改为 init_module、cleanup_module。
执行“insmod s3c24xx_leds.ko”命令时就会调用 s3c24xx_leds_init 函数，这个函数核心的代
码只有第 99 行。它调用 register_chrdev 函数向内核注册驱动程序：将主设备号 LED_MAJOR 与
file_operations 结构 s3c24xx_leds_fops 联系起来。以后应用程序操作主设备号为 LED_MAJOR 的设备文件时，比如 open、read、write、ioctl，s3c24xx_leds_fops 中的相应成员函数就会被调用。但是，s3c24xx_leds_fops 中并不需要全部实现这些函数，用到哪个就实现哪个。
执行“rmmod s3c24xx_leds.ko”命令时就会调用 s3c24xx_leds_exit 函数，它进而调用
unregister_chrdev 函数卸载驱动程序，它的功能与 register_chrdev 函数相反。
s3c24xx_leds_init、s3c24xx_leds_exit 函数前的“_ _init”、“_ _exit”只有在将驱动程序静
态链接进内核时才有意义。前者表示 s3c24xx_leds_init 函数的代码被放在“.init.text”段中，这个段在使用一次后被释放（这可以节省内存）；后者表示 s3c24xx_leds_exit 函数的代码被放在“.exit.data”段中，在连接内核时这个段没有使用，因为不可能卸载静态键接的驱动程序。

下面来看看 s3c24xx_leds_fops 的组成。

76 /* 这个结构是字符设备驱动程序的核心 77 * 当应用程序操作设备文件时所调用的 open、read、write 等函数， 78 * 最终会调用这个结构中的对应函数 79 */ 80 static struct file_operations s3c24xx_leds_fops = { 81 .owner = THIS_MODULE, /* 这是一个宏，指向编译模块时自动创建的_ _this_ module 变量 */ 82 .open = s3c24xx_leds_open, 83 .ioctl = s3c24xx_leds_ioctl, 84 }; 85

第 81 行的宏 THIS_MODULE 在 include/linux/module.h 中定义如下，_ _this_module 变量在编译模块时自动创建，无需关注这点。
#define THIS_MODULE (&_ _this_module)
file_operations 类型的 s3c24xx_leds_fops 结构是驱动中最重要的数据结构，编写字符设备驱动程序的主要工作也是填充其中的各个成员。比如本驱动程序中用到 open、ioctl 成员被设为 s3c24xx_leds_open、s3c24xx_leds_ioctl 函数，前者用来初始化 LED 所用的 GPIO 引脚，后者用来根据用户传入的参数设置 GPIO 的输出电平。

s3c24xx_leds_open 函数的代码如下：

33 /* 应用程序对设备文件/dev/leds 执行 open()时， 34 * 就会调用 s3c24xx_leds_open 函数 35 */ 36 static int s3c24xx_leds_open(struct inode *inode, struct file *file) 37 { 38 int i; 39 40 for (i = 0; i < 4; i++) { 41 // 设置 GPIO 引脚的功能：本驱动中 LED 所涉及的 GPIO 引脚设为输出功能 42 s3c2410_gpio_cfgpin(led_table[i], led_cfg_table[i]); 43 } 44 return 0; 45 } 46

在应用程序执行 open(“/dev/leds”,...)系统调用时，s3c24xx_leds_open 函数将被调用。它用来将 LED 所涉及的 GPIO 引脚设为输出功能。不在模块的初始化函数中进行这些设置的原因是：虽然加载了模块，但是这个模块却不一定会被用到，就是说这些引脚不一定用于这些用途，它们可能在其他模块中另作他用。所以，在使用时才去设置它，我们把对引脚的初始化放在 open 操作中。第 42 行的 s3c2410_gpio_cfgpin 函数是内核里实现的，它被用来选择引脚的功能。其实现原理就是设置 GPIO 的控制寄存器。
s3c24xx_leds_ioctl 函数的代码如下：

47 /* 应用程序对设备文件/dev/leds 执行 ioclt()时， 48 * 就会调用 s3c24xx_leds_ioctl 函数 49 */ 50 static int s3c24xx_leds_ioctl( 51 struct inode *inode, 52 struct file *file, 53 unsigned int cmd, 54 unsigned long arg) 55 { 56 if (arg > 4) { 57 return -EINVAL; 58 } 59 60 switch(cmd) { 61 case IOCTL_LED_ON: 62 // 设置指定引脚的输出电平为 0 63 s3c2410_gpio_setpin(led_table[arg], 0); 64 return 0; 65 66 case IOCTL_LED_OFF: 67 // 设置指定引脚的输出电平为 1 68 s3c2410_gpio_setpin(led_table[arg], 1); 69 return 0; 70 71 default: 72 return -EINVAL; 73 } 74 } 75

应用程序执行系统调用 ioclt(fd, cmd, arg)时（fd 是前面执行 open 系统调用时返回的文件句柄），s3c24xx_leds_ioctl 函数将被调用。第 63、68 行根据传入的 cmd、arg 参数调用 s3c2410_gpio_setpin 函数，来设置引脚的输出电平：输出 0 时点亮 LED，输出 1 时熄灭 LED。
s3c2410_gpio_setpin 函数也是内核中实现的，它通过 GPIO 的数据寄存器来设置输出电平。

驱动程序测试

06 #define IOCTL_LED_ON 0 07 #define IOCTL_LED_OFF 1 … 16 int main(int argc, char **argv) 17 { … 24 fd = open("/dev/leds", 0); // 打开设备 … 30 led_no = strtoul(argv[1], 0, 0) - 1; // 操作哪个 LED？ … 34 if (!strcmp(argv[2], "on")) { 35 ioctl(fd, IOCTL_LED_ON, led_no); // 点亮它 36 } else if (!strcmp(argv[2], "off")) { 37 ioctl(fd, IOCTL_LED_OFF, led_no); // 熄灭它 38 } else { 39 goto err; 40 } … 50 }

其中的 open、ioclt 最终会调用驱动程序中的 s3c24xx_leds_open、s3c24xx_leds_ioctl函数。

📌-1 说明：