编写Linux字符设备驱动程序：从理论到实践

在Linux内核开发中，字符设备驱动程序是连接硬件设备与用户空间应用程序的重要桥梁。本文将详细介绍如何编写一个基本的字符设备驱动程序，从理论框架到实际代码实现，再到测试和部署。

一、理论基础

字符设备在Linux中是一类特殊的设备，它们以字符流的形式处理数据，不具备复杂的数据结构或寻址能力。编写字符设备驱动程序主要涉及以下几个关键步骤：

定义设备结构体：使用struct cdev结构体来描述字符设备。

分配设备号：为每个字符设备分配一个唯一的设备号，用于标识设备。

实现文件操作函数：如open(), release(), read(), write()等，用于处理设备的读写和控制操作。

注册字符设备：将设备结构体与设备号关联，并注册到内核中。

创建设备节点：在/dev目录下创建设备文件，方便用户空间访问。

二、实践步骤

接下来，我们将逐步编写一个简单的字符设备驱动程序。

1. 包含必要的头文件

c

#include <linux/module.h>  

#include <linux/fs.h>  

#include <linux/cdev.h>  

#include <linux/uaccess.h>  

#include <linux/device.h>  

MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");  

MODULE_AUTHOR("Your Name");  

MODULE_DESCRIPTION("A Simple Character Device Driver");

2. 定义和初始化字符设备结构体

c

static dev_t dev_num;  

static struct cdev my_cdev;  

static int major_num = 0; // 动态分配设备号  

static int my_open(struct inode *inode, struct file *file) {  

   // 初始化操作  

   return 0;  

}  

static int my_release(struct inode *inode, struct file *file) {  

   // 清理操作  

   return 0;  

}  

// 类似地，实现read(), write()等函数

3. 分配和释放设备号

c

static int __init my_init(void) {  

   if (major_num) {  

       dev_num = MKDEV(major_num, 0);  

       register_chrdev_region(dev_num, 1, "my_dev");  

   } else {  

       alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_dev");  

       major_num = MAJOR(dev_num);  

   }  

   // 初始化cdev结构体  

   cdev_init(&my_cdev, &my_fops); // 假设有一个file_operations结构体my_fops  

   my_cdev.owner = THIS_MODULE;  

   cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);  

   // 创建类和设备节点  

   struct class *my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_dev_class");  

   device_create(my_class, NULL, dev_num, NULL, "my_dev");  

   return 0;  

}  

static void __exit my_exit(void) {  

   device_destroy(my_class, dev_num);  

   class_destroy(my_class);  

   cdev_del(&my_cdev);  

   unregister_chrdev_region(dev_num, 1);  

}

4. 注册文件操作函数

c

static struct file_operations my_fops = {  

   .owner = THIS_MODULE,  

   .open = my_open,  

   .release = my_release,  

   // 添加read, write, ioctl等  

};

5. 编译和加载模块

将上述代码保存为.c文件，使用Makefile进行编译。Makefile可能如下：

Makefile

obj-m += my_char_dev.o  

all:  

make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules  

clean:  

make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

编译后，使用insmod命令加载模块，使用rmmod命令卸载模块。

6. 测试与验证

编写用户空间程序来打开、读写设备文件，并观察程序行为。使用dmesg或journalctl查看内核日志，以验证驱动程序是否按预期工作。

三、总结