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三、linux字符驱动详解

news 来源：原创 2025/9/17 22:13:28

在上一节完成NFS开发环境的搭建后，本节将探讨Linux字符设备驱动的开发。字符设备驱动作为Linux内核的重要组成部分，主要负责管理与字符设备（如串口、键盘等）的交互，并为用户空间程序提供统一的读写操作接口。

驱动代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/cdev.h> #define DEVICE_NAME "hello_chrdev"
#define BUFFER_SIZE 100// 设备结构体
typedef struct {char buffer[BUFFER_SIZE];struct class *class;struct device *device;dev_t dev_num;struct cdev cdev;
} HelloDevice;static HelloDevice hello_dev;// 打开设备
static int hello_open(struct inode *inode, struct file *filp) {printk(KERN_INFO "Hello device opened\n");return 0;
}// 读取设备
static ssize_t hello_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {size_t len = strlen(hello_dev.buffer);if (*f_pos >= len) {return 0;}if (count > len - *f_pos) {count = len - *f_pos;}if (copy_to_user(buf, hello_dev.buffer + *f_pos, count)) {return -EFAULT;}*f_pos += count;return count;
}// 写入设备
static ssize_t hello_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) {if (count > BUFFER_SIZE - 1) {count = BUFFER_SIZE - 1;}if (copy_from_user(hello_dev.buffer, buf, count)) {return -EFAULT;}hello_dev.buffer[count] = '\0';*f_pos += count;return count;
}// 关闭设备
static int hello_release(struct inode *inode, struct file *filp) {printk(KERN_INFO "Hello device closed\n");return 0;
}// 文件操作结构体
static struct file_operations hello_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = hello_open,.read = hello_read,.write = hello_write,.release = hello_release,
};// 模块初始化函数
static int __init hello_init(void) {int ret;// 分配设备号ret = alloc_chrdev_region(&hello_dev.dev_num, 0, 1, DEVICE_NAME);if (ret < 0) {printk(KERN_ERR "Failed to allocate character device number\n");return ret;}// 创建类hello_dev.class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);if (IS_ERR(hello_dev.class)) {unregister_chrdev_region(hello_dev.dev_num, 1);printk(KERN_ERR "Failed to create class\n");return PTR_ERR(hello_dev.class);}// 创建设备hello_dev.device = device_create(hello_dev.class, NULL, hello_dev.dev_num, NULL, DEVICE_NAME);if (IS_ERR(hello_dev.device)) {class_destroy(hello_dev.class);unregister_chrdev_region(hello_dev.dev_num, 1);printk(KERN_ERR "Failed to create device\n");return PTR_ERR(hello_dev.device);}// 初始化 cdev 结构体cdev_init(&hello_dev.cdev, &hello_fops);hello_dev.cdev.owner = THIS_MODULE;// 添加字符设备到系统ret = cdev_add(&hello_dev.cdev, hello_dev.dev_num, 1);if (ret < 0) {device_destroy(hello_dev.class, hello_dev.dev_num);class_destroy(hello_dev.class);unregister_chrdev_region(hello_dev.dev_num, 1);printk(KERN_ERR "Failed to add character device\n");return ret;}printk(KERN_INFO "Hello device initialized. Major: %d, Minor: %d\n", MAJOR(hello_dev.dev_num), MINOR(hello_dev.dev_num));return 0;
}// 模块卸载函数
static void __exit hello_exit(void) {cdev_del(&hello_dev.cdev);device_destroy(hello_dev.class, hello_dev.dev_num);class_destroy(hello_dev.class);unregister_chrdev_region(hello_dev.dev_num, 1);printk(KERN_INFO "Hello device removed\n");
}module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple hello world character device driver");

函数接口详解

1. 模块初始化与退出相关函数

`alloc_chrdev_region`

int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);

功能：动态分配一组连续的字符设备号。
参数
- dev：用于存储分配到的设备号。
- baseminor：起始的次设备号。
- count：要分配的设备号数量。
- name：设备的名称，用于在 /proc/devices 中显示。
返回值：成功返回 0，失败返回负数错误码。

`class_create`

struct class *class_create(struct module *owner, const char *name);

功能：在 /sys/class 目录下创建一个设备类。
参数
- owner：指向模块的指针，通常为 THIS_MODULE。
- name：类的名称。
返回值：成功返回指向 struct class 的指针，失败返回错误指针。

`device_create`

struct device *device_create(struct class *class, struct device *parent, dev_t devt, void *drvdata, const char *fmt, ...);

功能：在 /sys/class/<class_name> 目录下创建设备节点，并在 /dev 目录下创建对应的设备文件。
参数
- class：指向设备类的指针。
- parent：父设备指针，通常为 NULL。
- devt：设备号。
- drvdata：设备驱动数据，通常为 NULL。
- fmt：设备名称的格式化字符串。
返回值：成功返回指向 struct device 的指针，失败返回错误指针。

`cdev_init`

void cdev_init(struct cdev *cdev, const struct file_operations *fops);

功能：初始化字符设备结构体 struct cdev，并关联文件操作结构体 struct file_operations。
参数
- cdev：指向 struct cdev 的指针。
- fops：指向 struct file_operations 的指针。

`cdev_add`

int cdev_add(struct cdev *p, dev_t dev, unsigned count);

功能：将字符设备添加到内核中。
参数
- p：指向 struct cdev 的指针。
- dev：设备号。
- count：设备数量。
返回值：成功返回 0，失败返回负数错误码。

`module_init` 和 `module_exit`

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

功能：分别指定模块加载和卸载时调用的函数。

2. 文件操作相关函数

在 Linux 内核中，struct file_operations 结构体是字符设备驱动与用户空间进行交互的关键桥梁，其中 open、read、write 和 release 是比较常用的操作函数。

struct file_operations` 结构体中相关成员介绍

open 函数
```
int (*open) (struct inode *inode, struct file *filp);
```
- 功能：当用户空间使用 open() 系统调用打开设备文件时，内核会调用驱动中注册的 open 函数。该函数通常用于执行设备的初始化操作，如分配资源、检查设备状态等。
- 参数
  - struct inode *inode：指向文件对应的索引节点，包含了文件的元信息，如文件类型、权限等。
  - struct file *filp：指向文件对象，代表了一个打开的文件实例，包含了文件的当前状态、偏移量等信息。
- 返回值：成功时返回 0，失败时返回负数错误码。
read 函数
```
ssize_t (*read) (struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos);
```
- 功能：当用户空间使用 read() 系统调用从设备文件读取数据时，内核会调用驱动中的 read 函数。该函数负责将设备中的数据复制到用户空间的缓冲区。
- 参数
  - struct file *filp：指向文件对象。
  - char __user *buf：用户空间的缓冲区指针，用于存储从设备读取的数据。
  - size_t count：用户请求读取的字节数。
  - loff_t *f_pos：文件的当前偏移量指针，可通过修改该指针来更新文件的读写位置。
- 返回值：成功时返回实际读取的字节数，返回 0 表示已到达文件末尾，失败时返回负数错误码。
write 函数
```
ssize_t (*write) (struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos);
```
- 功能：当用户空间使用 write() 系统调用向设备文件写入数据时，内核会调用驱动中的 write 函数。该函数负责将用户空间缓冲区中的数据复制到设备中。
- 参数
  - struct file *filp：指向文件对象。
  - const char __user *buf：用户空间的缓冲区指针，包含了要写入设备的数据。
  - size_t count：用户请求写入的字节数。
  - loff_t *f_pos：文件的当前偏移量指针。
- 返回值：成功时返回实际写入的字节数，失败时返回负数错误码。
release 函数
```
int (*release) (struct inode *inode, struct file *filp);
```
- 功能：当用户空间使用 close() 系统调用关闭设备文件时，内核会调用驱动中的 release 函数。该函数通常用于执行设备的清理操作，如释放资源、关闭设备等。
- 参数
  - struct inode *inode：指向文件对应的索引节点。
  - struct file *filp：指向文件对象。
- 返回值：成功时返回 0，失败时返回负数错误码。

3. 模块卸载相关函数

`cdev_del`

void cdev_del(struct cdev *p);

功能：从内核中移除字符设备。
参数
- p：指向 struct cdev 的指针。

`device_destroy`

void device_destroy(struct class *class, dev_t devt);

功能：销毁 /sys/class/<class_name> 目录下的设备节点和 /dev 目录下的设备文件。
参数
- class：指向设备类的指针。
- devt：设备号。

`class_destroy`

void class_destroy(struct class *cls);

功能：销毁 /sys/class 目录下的设备类。
参数
- cls：指向 struct class 的指针。

`unregister_chrdev_region`

void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);

功能：释放之前分配的字符设备号。
参数
- from：起始的设备号。
- count：要释放的设备号数量。

编译和测试

编写 Makefile

obj-m += helloworld.o
KDIR := linux-5.15.18/
PWD := $(shell pwd)
default:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules
clean:$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

将 linux-5.15.18/ 替换为实际的 Linux 5.15.18 内核源码路径。

编译驱动

在终端中执行 make 命令编译驱动模块。

测试驱动

在 QEMU 终端中：

使用 insmod helloworld.ko 加载驱动模块。
使用 echo “Hello World” > /dev/helloworld 向设备写入数据。
使用 cat /dev/helloworld 从设备读取数据。
使用 rmmod hello_chrdev.ko 卸载驱动模块。

三、linux字符驱动详解

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编程日记 2025/9/14 20:24:13

基于UnrealEngine(UE5)的太空探索

视频部分可参见：https://www.bilibili.com/video/BV1JWA8eSEVg/ 中国天宫号空间站人造卫星可视化星链卫星可视化小行星分布及运动轨迹可视化月球基地可视化八大行星轨道太阳系宜居带可视化阿波罗8号拍摄的地球升起谷神星模型及轨迹可视化星座可视化十…...

编程日记 2025/9/14 20:25:11

HTML Application(hta)入门教程

简介 HTA是HTML Application的缩写，又称为HTML应用程序。 hta是一个可执行文件，双击可以直接运行 hta与html非常相似，可直接将文件后缀改为.hta来获得HTA格式的文件。支持VBS和JavaScript html的权限被限制在网页浏览器内，只有操…...

编程日记 2025/9/14 20:10:25

IOS UITextField 无法隐藏键盘问题

设置UITextField 键盘按钮返回键为“完成”，即return key 设置done .m代码设置代理 //设置代理协议 UITextFieldDelegate， self.mobileTextField.delegate self; ///点击完成键隐藏键盘 - (BOOL)textFieldShouldReturn:(UITextField *)textField{//取…...

编程日记 2025/9/14 18:48:24

ES6箭头函数：基础与进阶指南

目录引言一、基础篇：核心语法与特性 1.1 语法革新 1.2 this绑定机制二、进阶篇：深度特性解析 2.1 闭包中的this继承 2.2 限制与注意事项三、实践指南：应用场景与陷阱规避 3.1 推荐使用场景 3.2 应避免的场景四、性能考量结语…...

编程日记 2025/9/15 5:04:34

AI赋能编程：PyCharm与DeepSeek的智能开发革命

在这个智能化的时代，人工智能技术正在深刻地改变着我们的工作方式，尤其是在编程领域。无论是初学者还是资深开发者，都希望借助更高效的工具和智能助手来提升生产力、优化代码质量。今天，我们将聚焦于两个强大的工具：Py…...

编程日记 2025/9/15 1:14:57

驱动代码

函数接口详解

1. 模块初始化与退出相关函数

alloc_chrdev_region

class_create

device_create

cdev_init

cdev_add

module_init 和 module_exit

2. 文件操作相关函数

open 函数

read 函数

write 函数

release 函数

3. 模块卸载相关函数

cdev_del

device_destroy

class_destroy

unregister_chrdev_region