第2章 Linux字符设备驱动基础

第2章：Linux字符设备驱动基础

字符设备驱动，说白了就是Linux世界里最简单、最基础的一类驱动。你想想看，键盘、鼠标、串口，这些设备都是按字节流来读写数据的，它们都属于字符设备。我刚开始学驱动开发时，就是从字符设备入手的。这一章，咱们就把字符设备驱动的几个核心概念彻底搞明白。

2.1 设备号：驱动的身份证

每个字符设备在Linux内核里都有一个唯一的编号，这就是设备号。设备号由两部分组成：主设备号和次设备号。

主设备号：标识设备对应的驱动程序。比如，所有串口设备可能共用同一个主设备号。
次设备号：标识同一个驱动管理下的不同设备实例。比如，你电脑上有两个串口，主设备号相同，次设备号不同。

在Linux内核中，设备号用dev_t类型表示，它是一个32位的无符号整数。其中，高12位是主设备号，低20位是次设备号。嗯，这里要注意，主设备号的范围是0到4095，次设备号的范围是0到1048575。

设备号操作宏

#include <linux/types.h>

MAJOR(dev_t dev);  // 从设备号中提取主设备号
MINOR(dev_t dev);  // 从设备号中提取次设备号
MKDEV(int major, int minor); // 将主次设备号组合成dev_t

我个人习惯在驱动初始化时，先用MKDEV生成设备号，然后再注册。这样代码看起来更清晰。

2.2 设备号的分配方式

设备号有两种分配方式：静态分配和动态分配。

分配方式	方法	优点	缺点
静态分配	手动指定主设备号	设备号固定，方便用户空间创建设备节点	可能与其他驱动冲突
动态分配	由内核自动分配	避免冲突，推荐使用	设备号不固定，需要查看/proc/devices

我在项目中遇到过一个问题：两个驱动模块都静态分配了同一个主设备号，结果加载第二个模块时直接报错。从那以后，我基本都用动态分配了。动态分配的函数是alloc_chrdev_region，它会自动给你找一个没被占用的主设备号。

动态分配示例

dev_t dev_num;
int ret;

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

2.3 file_operations结构体：驱动的接口表

字符设备驱动和用户程序之间的桥梁，就是file_operations结构体。它里面定义了一堆函数指针，比如open、read、write、release等等。用户程序调用open()系统调用时，内核就会找到对应的驱动，然后调用你注册的open函数。

说白了，这个结构体就是驱动对外提供的服务清单。你实现了哪些函数，用户程序就能用哪些功能。

典型的file_operations定义

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

这里有个细节要注意：.owner一定要赋值为THIS_MODULE，它用来防止模块在使用过程中被卸载。我曾经有一次忘了写这一行，结果模块在读写时被rmmod了，内核直接崩溃。嗯，血的教训。

2.4 cdev结构体：字符设备的抽象

在Linux内核里，每个字符设备都用cdev结构体来表示。你需要先初始化它，然后把它注册到内核里。

初始化cdev的步骤很简单：

用cdev_alloc或静态定义的方式分配cdev结构体。
用cdev_init初始化它，并关联file_operations。
用cdev_add把它添加到内核中，同时指定设备号。

cdev注册示例

struct cdev my_cdev;
dev_t dev_num;

// 1. 初始化cdev
cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
my_cdev.owner = THIS_MODULE;

// 2. 注册cdev
ret = cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);
if (ret < 0) {
    printk(KERN_ERR "Failed to add cdev\n");
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
    return ret;
}

注册成功后，用户程序就可以通过设备节点来访问你的驱动了。设备节点通常用mknod命令创建，比如：

mknod /dev/my_device c 250 0

这里的c表示字符设备，250是主设备号，0是次设备号。

2.5 cdev的注销

有注册就有注销。当模块卸载时，一定要把cdev从内核中移除，并释放设备号。否则，下次加载模块时可能会出问题。

注销顺序很重要

void cleanup_module(void)
{
    // 1. 删除cdev
    cdev_del(&my_cdev);
    
    // 2. 释放设备号
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
    
    printk(KERN_INFO "Module unloaded\n");
}

注意：一定要先cdev_del，再unregister_chrdev_region。顺序反了的话，设备号虽然释放了，但cdev还在内核里，可能会引起野指针问题。

2.6 模块加载与卸载

Linux驱动是以模块的形式存在的。模块的加载和卸载，对应两个宏：module_init和module_exit。

module_init(my_init)：指定模块加载时调用的函数。
module_exit(my_exit)：指定模块卸载时调用的函数。

完整的模块框架大概是这样的：

完整的字符设备驱动模板

#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 int __init my_init(void)
{
    int ret;
    
    // 1. 动态分配设备号
    ret = alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_device");
    if (ret < 0) {
        printk(KERN_ERR "alloc_chrdev_region failed\n");
        return ret;
    }
    printk(KERN_INFO "Major: %d, Minor: %d\n", 
           MAJOR(dev_num), MINOR(dev_num));
    
    // 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 < 0) {
        printk(KERN_ERR "cdev_add failed\n");
        unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
        return ret;
    }
    
    printk(KERN_INFO "Module loaded successfully\n");
    return 0;
}

static void __exit my_exit(void)
{
    cdev_del(&my_cdev);
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
    printk(KERN_INFO "Module unloaded\n");
}

module_init(my_init);
module_exit(my_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple character device driver");

这里有个小技巧：__init和__exit这两个宏，告诉内核这些函数只在初始化或卸载时使用。初始化完成后，__init函数占用的内存可以被回收。我在做嵌入式设备时，内存很紧张，这个特性帮了不少忙。

2.7 避坑指南

最后，分享几个我踩过的坑：

设备号冲突：静态分配时一定要查/proc/devices，看看哪些主设备号已经被用了。我建议直接用动态分配，省心。
cdev_add失败：如果cdev_add返回错误，一定要记得释放之前分配的设备号。否则设备号就泄漏了。
模块卸载顺序：先cdev_del，再unregister_chrdev_region。这个顺序我强调过，但每次写代码时还是容易搞反。
file_operations的owner：别忘了赋值.owner = THIS_MODULE。我曾经因为这个导致模块在读写时被卸载，内核直接Oops。

好了，这一章的内容就到这里。字符设备驱动的基础，说白了就是设备号、file_operations、cdev这三个东西。把它们搞明白了，后面的内容就好办了。下一章，咱们聊聊设备节点的自动创建，也就是udev和class机制。

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