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Linux 设备分类详解：字符设备、块设备与网络设备解析

news 来源：原创 2025/7/21 6:00:24

引言

在嵌入式 Linux 领域，设备驱动程序是操作系统与硬件之间的桥梁。Linux 设备按照不同的访问方式和特性可以划分为字符设备、块设备和网络设备。理解它们的分类及特性，对于开发 Linux 设备驱动和操作底层硬件至关重要。本文将深入解析这三大类设备的特点、访问方式及其在 Linux 内核中的实现方式。

1. Linux 设备的分类

Linux 设备根据数据的读写方式和访问特性，主要可以分为以下三类：

字符设备（Character Device）
块设备（Block Device）
网络设备（Network Device）

这些设备分别对应不同的驱动模型和访问方式，下面分别进行详细分析。

2. 字符设备（Character Device）

2.1 概述

字符设备是一种 按字节流方式 访问的设备，数据是 线性顺序 读写的，没有统一的缓存管理机制。例如，串口（UART）、I²C 设备、GPIO、键盘、显示器等，都属于字符设备。

2.2 访问方式

字符设备通常通过文件操作接口（open、read、write、ioctl 等）进行访问。典型的访问方式如下：

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int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);
write(fd, "Hello", 5);
read(fd, buffer, sizeof(buffer));
close(fd);

2.3 驱动实现

字符设备驱动在 Linux 内核中通常使用 cdev 结构体进行管理。一个基本的字符设备驱动框架如下：

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static struct cdev my_cdev;
static dev_t dev_num;static struct file_operations my_fops = {.owner = THIS_MODULE,.read = my_read,.write = my_write,.open = my_open,.release = my_release,
};static int __init my_driver_init(void) {alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_device");cdev_init(&my_cdev, &my_fops);cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);return 0;
}static void __exit my_driver_exit(void) {cdev_del(&my_cdev);unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
}module_init(my_driver_init);
module_exit(my_driver_exit);

3. 块设备（Block Device）

3.1 概述

块设备是一种 以块（block）为单位 进行存取的设备，通常具有 缓冲区（Buffer）或者缓存（Cache） 机制，支持随机访问。典型的块设备包括 硬盘（HDD/SSD）、SD 卡、U 盘、eMMC 等。

3.2 访问方式

块设备通常通过文件系统进行访问，用户可以使用 open、read、write 进行文件操作，或者通过 dd 命令直接访问设备。例如：

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dd if=/dev/sda of=backup.img bs=1M count=100

3.3 驱动实现

块设备驱动通常基于 request_queue 进行数据调度，基本的块设备驱动框架如下：

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static struct request_queue *my_queue;
static struct gendisk *my_disk;static void my_request_fn(struct request_queue *q) {struct request *req;while ((req = blk_fetch_request(q)) != NULL) {// 处理请求__blk_end_request_all(req, 0);}
}static int __init my_block_driver_init(void) {my_queue = blk_init_queue(my_request_fn, NULL);my_disk = alloc_disk(1);my_disk->queue = my_queue;snprintf(my_disk->disk_name, 32, "my_block");add_disk(my_disk);return 0;
}static void __exit my_block_driver_exit(void) {del_gendisk(my_disk);put_disk(my_disk);blk_cleanup_queue(my_queue);
}module_init(my_block_driver_init);
module_exit(my_block_driver_exit);

4. 网络设备（Network Device）

4.1 概述

网络设备用于数据包（Packet）的收发，而不是以字节或块为单位进行访问。典型的网络设备包括 以太网网卡（Ethernet）、Wi-Fi 模块、LoRa、蓝牙（Bluetooth）等。

4.2 访问方式

网络设备通常不会通过 /dev 文件访问，而是通过 socket（套接字） 进行通信。例如，使用 socket 编程来创建 TCP 连接：

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int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
connect(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
send(sock, "Hello", 5, 0);
recv(sock, buffer, sizeof(buffer), 0);
close(sock);

4.3 驱动实现

网络设备驱动基于 net_device 结构体，并使用 netif_rx() 处理接收数据包。基本的网络设备驱动框架如下：

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static struct net_device *my_netdev;static int my_net_open(struct net_device *dev) {netif_start_queue(dev);return 0;
}static int my_net_stop(struct net_device *dev) {netif_stop_queue(dev);return 0;
}static netdev_tx_t my_net_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev) {dev_kfree_skb(skb);return NETDEV_TX_OK;
}static struct net_device_ops my_netdev_ops = {.ndo_open = my_net_open,.ndo_stop = my_net_stop,.ndo_start_xmit = my_net_xmit,
};static int __init my_net_driver_init(void) {my_netdev = alloc_netdev(0, "mynet%d", NET_NAME_UNKNOWN, ether_setup);my_netdev->netdev_ops = &my_netdev_ops;register_netdev(my_netdev);return 0;
}static void __exit my_net_driver_exit(void) {unregister_netdev(my_netdev);free_netdev(my_netdev);
}module_init(my_net_driver_init);
module_exit(my_net_driver_exit);

5. 设备号与 `/dev` 目录

Linux 通过 主设备号（Major Number） 和 次设备号（Minor Number） 标识设备。主设备号标识设备类型，次设备号标识具体的设备实例。例如：

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ls -l /dev/
crw-rw---- 1 root dialout 4, 64 /dev/ttyS0  # 字符设备
brw-rw---- 1 root disk    8, 0  /dev/sda    # 块设备

设备号的分配可通过 mknod 命令手动创建：

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mknod /dev/my_device c 240 0  # 创建字符设备
mknod /dev/my_block b 241 0   # 创建块设备

总结

本文详细介绍了 Linux 设备的三大类别——字符设备、块设备和网络设备，并解析了它们的访问方式、驱动模型和 Linux 内核中的实现方式。在嵌入式 Linux 开发中，理解设备分类及其驱动原理是开发高性能、稳定的系统的基础。希望本文能为你的 Linux 设备驱动开发提供有价值的参考！

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