字符设备驱动入门

本文是 嵌入式 Linux 学习路径 第六阶段：实现 最小字符设备驱动，通过 /dev、sysfs、ioctl 与用户态交互。完成后你应能：insmod/rmmod 干净、理解 file_operations 生命周期、安全处理 copy_from_user。

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学习目标

• 编写 内核模块：module_init/module_exit、MODULE_LICENSE。
• 注册 字符设备：alloc_chrdev_region / register_chrdev、cdev、file_operations。
• 暴露 sysfs 属性 或 ioctl 命令与用户态工具通信。
• 使用 dmesg、/sys、strace 调试。

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架构位置

用户 open/read/write/ioctl → VFS → char dev → 你的 fops → 硬件/内存缓冲区

字符设备 按字节流 抽象；块设备、网络设备是其他子系统（概念对比即可）。

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最小模块骨架

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
 
static int __init demo_init(void)
{
	pr_info("demo: loaded\n");
	return 0;
}
 
static void __exit demo_exit(void)
{
	pr_info("demo: unloaded\n");
}
 
module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_DESCRIPTION("demo");

Makefile（内核外树或内核树内）

obj-m += demo.o
KDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
all:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

目标机 需 与编译内核一致的 vermagic（交叉编译模块时用 板子内核源码树）。

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字符设备注册流程（现代写法概览）

• alloc_chrdev_region 或 register_chrdev_region 获取 dev_t。
• cdev_init + cdev_add 绑定 file_operations。
• class_create（或 legacy device_create）生成 /dev/mydev 与 sysfs 类目录。
• unregister_chrdev_region / cdev_del / device_destroy` 在 exit 中对称释放。

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file_operations 要点

方法	典型用途
open	分配 per-file 私有数据 filp->private_data
read/write	copy_to_user / copy_from_user
llseek	可随机访问设备缓冲时
ioctl	结构化命令（优先 unlocked_ioctl）
release	对应 close，释放 open 中资源

并发：多进程打开同一设备时，自旋锁/mutex 保护共享缓冲；考虑 wait_queue 阻塞读。

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示例：环形缓冲 + read/write（思路）

• 内核 kmalloc 环形队列；
• write 入队，read 出队；队列空时 read 阻塞（wait_event_interruptible）；
• 用户态 cat /dev/mydev / echo 测试。

（完整代码建议参考 Linux Device Drivers 示例或 Linux 内核模块开发实战。）

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sysfs 属性（调试友好）

• device_create_file + DEVICE_ATTR 暴露 /sys/class/.../mydev/state；
• show/store 中 sprintf/kstrtoint；store 返回 count 或负 errno。

适合 开关 LED 模拟值、统计计数 而不定义 ioctl 命令号。

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ioctl 设计

• 命令编码：_IO / _IOR / _IOW / _IOWR（<linux/ioctl.h>）；
• 用户态与内核 共用同一头文件 mydev_ioctl.h；
• ioctl 参数 若是指针，必须 copy_from_user 到内核栈/堆再使用。

#define MYDEV_IOC_MAGIC 'm'
#define MYDEV_IOC_RESET _IO(MYDEV_IOC_MAGIC, 0)
#define MYDEV_IOC_GET_VAL _IOR(MYDEV_IOC_MAGIC, 1, int)

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用户态测试

int fd = open("/dev/mydev", O_RDWR);
ioctl(fd, MYDEV_IOC_GET_VAL, &v);
write(fd, "test", 4);

strace 跟踪：strace -e trace=open,read,write,ioctl ./app

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与设备树结合（platform 字符设备）

• platform_driver + .probe 里做 字符设备注册；
• .remove 里逆序注销；
• 资源（IO 内存、IRQ）从 platform_get_resource / devm_ioremap 获取（MMIO 设备）。

GPIO LED 教学可先 gpio-leds（DT 阶段），再 自定义 misc 驱动 练习 fops。

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常见错误

错误	后果
exit 未 device_destroy	rmmod 失败或 oops
copy_to_user 未检查返回值	部分拷贝仍返回成功
ioctl 未 CAP_SYS_ADMIN 等权限设计	安全漏洞
中断上下文调用 copy_to_user	禁止

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实践练习

• 模块加载后 /dev 节点存在，major/minor 与 /proc/devices 一致。
• 实现 read 阻塞 + poll 返回可读。
• 用 sysfs 读驱动内部计数器。
• insmod → 运行测试 → rmmod，dmesg 无 warn。

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阶段验收

• 画 open/read/release 调用顺序图（单进程）。
• 解释 为什么必须 copy_from_user。
• 说明 字符设备与 platform_driver probe 的注册顺序。

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下一阶段衔接

• I2C/SPI：数据路径变为 总线 transfer + 字符设备或 hwmon/input 子系统。
• 内核子系统深入：块层、网络 sk_buff 是另一条驱动线。

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参考

• Linux 内核模块开发实战
• Linux Device Drivers（LDD3，API 需对照新内核）
• Documentation/driver-api/

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模块开发与 GPL 导出符号、staging 驱动 规范有关；产品化前做 lockdep 与 并发测试。