第3章编写第一个字符设备驱动

第三讲：编写第一个字符设备驱动

从零开始创建一个简单的虚拟传感器驱动，实现 open、read、ioctl 等基本操作，并注册到 PX4 设备树。

好，咱们直接动手。这一讲的目标很明确——写一个能跑起来的字符设备驱动。说白了，就是让 PX4 认识你的虚拟传感器，能打开它、读数据、还能通过 ioctl 调调参数。

我记得刚接触 PX4 驱动时，最头疼的就是不知道从哪下手。设备树、注册函数、文件操作接口……一堆概念堆在一起。后来我发现，其实核心就三件事：定义操作、注册设备、实现回调。今天我们就按这个思路来。

1. 驱动骨架：先搭个空壳

每个字符设备驱动，本质上就是一组函数指针的集合。你想想看，Linux 内核怎么知道你的设备能干啥？就是靠 file_operations 这个结构体。

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

#define DEVICE_NAME "px4_virt_sensor"
#define CLASS_NAME  "virt_sensor"

static int major_num;
static struct class *virt_sensor_class = NULL;
static struct device *virt_sensor_device = NULL;

static int virt_sensor_open(struct inode *inodep, struct file *filep) {
    pr_info("virt_sensor: device opened\n");
    return 0;
}

static int virt_sensor_release(struct inode *inodep, struct file *filep) {
    pr_info("virt_sensor: device closed\n");
    return 0;
}

static struct file_operations fops = {
    .open = virt_sensor_open,
    .release = virt_sensor_release,
};

嗯，这里要注意：pr_info 是内核打印函数，调试时特别好用。我习惯在 open 和 release 里加打印，这样能确认驱动是否被正确调用。

2. 实现 read 操作：让数据流动起来

虚拟传感器嘛，总得吐出点数据。我们模拟一个温度传感器，每次读取返回一个递增的整数。

static int sensor_value = 25;  // 初始温度

static ssize_t virt_sensor_read(struct file *filep, char __user *buffer,
                                size_t len, loff_t *offset) {
    char msg[32];
    int msg_len;

    sensor_value += 1;  // 模拟温度变化
    msg_len = snprintf(msg, sizeof(msg), "%d\n", sensor_value);

    if (copy_to_user(buffer, msg, msg_len)) {
        pr_err("virt_sensor: copy_to_user failed\n");
        return -EFAULT;
    }

    return msg_len;
}

这里有个坑，我曾经踩过——copy_to_user 必须检查返回值。内核空间和用户空间的内存不能直接赋值，必须用这个专用函数。如果返回非零，说明拷贝失败，得返回 -EFAULT。

然后把 read 挂到 fops 里：

static struct file_operations fops = {
    .open = virt_sensor_open,
    .release = virt_sensor_release,
    .read = virt_sensor_read,
};

3. ioctl 操作：让用户能控制你

光能读还不够，有时候用户想重置传感器值，或者改变模拟步长。这时候 ioctl 就派上用场了。

#define IOCTL_RESET_VALUE  _IO('v', 1)
#define IOCTL_SET_STEP     _IOW('v', 2, int)

static int step = 1;

static long virt_sensor_ioctl(struct file *filep, unsigned int cmd,
                              unsigned long arg) {
    int tmp;

    switch (cmd) {
        case IOCTL_RESET_VALUE:
            sensor_value = 25;
            pr_info("virt_sensor: value reset to 25\n");
            break;

        case IOCTL_SET_STEP:
            if (copy_from_user(&tmp, (int __user *)arg, sizeof(tmp))) {
                return -EFAULT;
            }
            step = tmp;
            pr_info("virt_sensor: step set to %d\n", step);
            break;

        default:
            return -ENOTTY;
    }
    return 0;
}

注意 ioctl 的命令定义格式：_IO、_IOW、_IOR 分别对应无参数、写参数、读参数。我个人习惯用 _IOW 传参数，因为大多数控制操作都需要输入值。

同样，把 ioctl 挂到 fops：

static struct file_operations fops = {
    .open = virt_sensor_open,
    .release = virt_sensor_release,
    .read = virt_sensor_read,
    .unlocked_ioctl = virt_sensor_ioctl,
};

4. 注册到 PX4 设备树

驱动写好了，怎么让 PX4 知道它？答案是设备树。在 PX4 的 boards/ 目录下找到你的板子配置文件，添加节点。

virt_sensor: virt-sensor {
    compatible = "px4,virt-sensor";
    status = "okay";
};

然后在驱动初始化时，通过 of_match_table 匹配：

static const struct of_device_id virt_sensor_of_match[] = {
    { .compatible = "px4,virt-sensor" },
    { /* end of list */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, virt_sensor_of_match);

static int __init virt_sensor_init(void) {
    // 注册字符设备
    major_num = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops);
    if (major_num < 0) {
        pr_err("virt_sensor: failed to register device\n");
        return major_num;
    }

    // 创建类
    virt_sensor_class = class_create(THIS_MODULE, CLASS_NAME);
    if (IS_ERR(virt_sensor_class)) {
        unregister_chrdev(major_num, DEVICE_NAME);
        return PTR_ERR(virt_sensor_class);
    }

    // 创建设备
    virt_sensor_device = device_create(virt_sensor_class, NULL,
                                       MKDEV(major_num, 0), NULL,
                                       DEVICE_NAME);
    if (IS_ERR(virt_sensor_device)) {
        class_destroy(virt_sensor_class);
        unregister_chrdev(major_num, DEVICE_NAME);
        return PTR_ERR(virt_sensor_device);
    }

    pr_info("virt_sensor: driver loaded, major=%d\n", major_num);
    return 0;
}

static void __exit virt_sensor_exit(void) {
    device_destroy(virt_sensor_class, MKDEV(major_num, 0));
    class_destroy(virt_sensor_class);
    unregister_chrdev(major_num, DEVICE_NAME);
    pr_info("virt_sensor: driver unloaded\n");
}

module_init(virt_sensor_init);
module_exit(virt_sensor_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("PX4 Driver Course");
MODULE_DESCRIPTION("A virtual sensor driver for PX4");

核心流程总结：

定义 file_operations 结构体，挂载 open/read/ioctl/release
实现 read 时用 copy_to_user 传递数据
实现 ioctl 时用 copy_from_user 接收参数
在设备树中添加 compatible 节点
初始化时注册字符设备、创建 class 和 device

5. 驱动加载与测试

编译后，用 insmod 加载模块：

# insmod virt_sensor.ko
# dmesg | tail
[ 1234.5678] virt_sensor: driver loaded, major=240

# 创建设备节点
# mknod /dev/px4_virt_sensor c 240 0

# 测试 read
# cat /dev/px4_virt_sensor
26
27
28

# 测试 ioctl
# ./test_ioctl reset
# cat /dev/px4_virt_sensor
25

调试小技巧： 如果 cat 时卡住，检查 read 函数是否返回了正确的长度。我曾经因为返回值写错，导致用户态一直读不到数据，排查了半天才发现是少了个换行符。

注意： 在 PX4 真实环境中，设备节点通常由 udev 自动创建。但开发阶段手动 mknod 更可控。另外，ioctl 的命令号不要和其他驱动冲突，建议用 _IO 宏生成唯一命令。

6. 知识体系图

下面这张图展示了本章的核心逻辑，从用户态到内核态的完整链路：

这张图把整个调用链路画清楚了。用户态应用通过系统调用进入 VFS，VFS 根据设备号找到对应的驱动，然后调用你注册的 file_operations 函数。说白了，驱动就是个中间人，负责把内核和硬件（或者虚拟硬件）连接起来。

好了，这一讲的内容就是这些。代码量不大，但每个细节都值得推敲。尤其是 copy_to_user 和 ioctl 命令定义，这两个地方最容易出 bug。我当年第一次写驱动时，就因为 ioctl 命令号写错，导致应用层一直返回 -1，查了两天才发现是宏定义拼写错误……嗯，都是经验。

公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321

📚 课程目录

第三讲：编写第一个字符设备驱动

1. 驱动骨架：先搭个空壳

2. 实现 read 操作：让数据流动起来

3. ioctl 操作：让用户能控制你

4. 注册到 PX4 设备树

5. 驱动加载与测试

6. 知识体系图