Linux应用程序与驱动程序之间存在明确分隔，应用程序只能通过open、read、write等标准接口访问驱动程序。
对应的，驱动程序需要提供与这些标准接口一一对应的实现：应用程序调用open，驱动就需要实现对应的open函数；调用read，驱动就实现对应的read函数；调用write，驱动就实现对应的write函数。
一、设备节点的属性与驱动查找核心逻辑
要理解驱动程序的编写思路，我们先从“应用程序如何通过文件找到驱动”这个问题切入。大家可能会有疑问：同样是open函数，打开普通文本文件（如test.txt）和打开设备文件时，为什么后者能找到对应的驱动程序？是因为设备文件的存放目录特殊吗？
答案是否定的。设备文件通常存放在/dev目录下，这只是行业惯例，并非强制要求。关键在于文件的属性，而非存放目录。我们可以通过“ls -l”命令查看文件属性：
- 普通文件（如test.c）：属性字段以“-”开头，标识为普通文件；
- /dev目录下的设备文件：属性字段以“c”开头，标识为字符设备节点。
字符设备节点有两个核心属性：主设备号和次设备号。这就是驱动查找的关键线索。
当应用程序调用open打开文件时，内核会执行sys_open函数，该函数会先判断文件类型：若为字符设备节点，则读取其主设备号和次设备号。这里的核心逻辑是：内核不关心文件名（即使把设备文件改成hello1、hello2也不影响），只关注文件属性——是否为字符设备节点，以及对应的主、次设备号。
二、内核中驱动程序的查找机制
明确了设备节点的核心属性后，我们可以进一步理解驱动查找的底层逻辑。大家可以先简单理解为：内核中维护了一个字符设备驱动数组（早期内核确实使用数组，后期优化为链表，但核心逻辑一致）。
当sys_open函数识别到字符设备节点后，会根据其主设备号，到这个字符设备驱动数组中查找对应的项——数组中该索引位置对应的结构体，就是我们需要的字符设备驱动程序。
这里补充说明：内核源码中，这个字符设备驱动数组的定义在“fs/char_dev.c”文件中，名为“chrdevs”，是一个结构体数组。虽然实际实现比“数组查找”更复杂，但这种简化理解不影响后续开发工作，且能快速抓住核心逻辑。
三、字符设备驱动程序的编写步骤
理解了驱动查找机制，驱动程序的编写思路就很清晰了。核心目标是：将驱动程序对应的结构体，正确“填充”到内核的chrdevs数组中。具体分为三个关键步骤：
步骤1：确定主设备号
主设备号是驱动程序在chrdevs数组中的“索引”，需优先确定：
- 手动指定：可通过在开发板上执行“cat /proc/devices”命令，查看当前内核已占用的字符设备主设备号，选择未被占用的空闲值（如8、100等）；
- 自动分配：若将主设备号设为0，内核会自动从chrdevs数组中查找空闲项，并在驱动注册成功后，返回分配的主设备号。
步骤2：构造file_operations结构体
驱动程序无需直接构造chrdevs数组中的结构体，核心工作是构造“file_operations结构体”——这个结构体封装了驱动程序对open、read、write等标准接口的实现。
file_operations结构体的成员很多，但无需全部实现，只需实现应用程序会用到的接口即可。例如，最简单的驱动程序，只需实现open、read、write对应的成员函数。
给大家看一个实际示例：我们通过定义全局变量的方式构造file_operations结构体，直接通过“.”语法指定对应的成员函数（如.open = hello_driver_open、.read = hello_driver_read、.write = hello_driver_write）。
这里解释一下“.”语法：这是C99标准引入的结构体初始化语法。在没有该语法前，初始化结构体需要按成员顺序依次填充，即使某些成员不用，也需占位；而“.”语法允许直接指定成员名赋值，无需关注顺序，未赋值的成员会自动初始化为默认值。Linux内核驱动开发中，该语法被广泛使用。
/* 1. 确定主设备号 */
staticint major = 0;
staticstructcdevhello_cdev;
staticchar kernel_buf[1024];
staticstructclass *hello_class;
#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)
/* 3. 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体 */
staticssize_thello_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
int err;
printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
err = copy_to_user(buf, kernel_buf, MIN(1024, size));
return MIN(1024, size);
}
staticssize_thello_drv_write(struct file *file, constchar __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
int err;
printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
err = copy_from_user(kernel_buf, buf, MIN(1024, size));
return MIN(1024, size);
}
staticinthello_drv_open(struct inode *node, struct file *file)
{
printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
return0;
}
staticinthello_drv_close(struct inode *node, struct file *file)
{
printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
return0;
}
/* 2. 定义自己的file_operations结构体 */
staticstructfile_operationshello_drv = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = hello_drv_open,
.read = hello_drv_read,
.write = hello_drv_write,
.release = hello_drv_close,
};
步骤3：注册驱动程序并指定入口函数
构造好file_operations结构体后，需要将其“注册”到内核的chrdevs数组中——所谓“注册”，本质就是将结构体放入数组或链表的对应位置，让内核能够找到。
驱动注册需要通过入口函数完成：就像应用程序有main函数一样，驱动程序也有入口函数，通过module_init宏来指定。当我们装载驱动程序时，内核会自动调用module_init宏描述的入口函数，在该函数中调用注册函数，将构造好的file_operations结构体注册到内核。
/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序 */
/* 5. 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数 */
staticint __init hello_init(void)
{
int err;
int rc;
dev_t devid;
printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
//major = register_chrdev(0, "hello", &hello_drv); /* /dev/hello */
rc = alloc_chrdev_region(&devid, 0, 1, "hello");
major = MAJOR(devid);
cdev_init(&hello_cdev, &hello_drv);
cdev_add(&hello_cdev, devid, 1);
hello_class = class_create(THIS_MODULE, "hello_class");
err = PTR_ERR(hello_class);
if (IS_ERR(hello_class)) {
printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
unregister_chrdev(major, "hello");
return-1;
}
device_create(hello_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "hello"); /* /dev/hello */
return0;
}
/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数 */
staticvoid __exit hello_exit(void)
{
printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
device_destroy(hello_class, MKDEV(major, 0));
class_destroy(hello_class);
//unregister_chrdev(major, "hello");
cdev_del(&hello_cdev);
unregister_chrdev_region(MKDEV(major,0), 1);
}
/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点 */
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
四、应用程序与驱动程序的数据传递
应用程序调用read/write时，会传入数据缓冲区（buffer）和数据长度（len）：read是将驱动数据读入缓冲区，write是将缓冲区数据写入驱动。但驱动程序无法直接访问应用程序的缓冲区——两者处于不同的地址空间（后续详细讲解地址空间概念）。
数据传递需通过专门的内核函数实现：
- 驱动→应用程序：驱动程序通过copy_to_user函数，将数据从内核空间拷贝到应用程序的用户空间缓冲区；
- 应用程序→驱动程序：驱动程序通过copy_from_user函数，将数据从应用程序的用户空间缓冲区拷贝到内核空间。
五、驱动程序访问硬件的核心：物理地址映射
驱动程序无法直接访问硬件寄存器的物理地址，需先将物理地址映射为内核可访问的虚拟地址（驱动程序运行在内核态，使用虚拟地址）。映射通过ioremap函数实现：
虚拟地址 = ioremap(物理地址, 映射长度)
注意：ioremap映射的是一段连续地址，而非单个地址。映射完成后，驱动程序可通过得到的虚拟地址，在open、read、write等函数中访问硬件寄存器。
六、完整流程总结
最后梳理完整流程：驱动程序通过module_init指定入口函数，入口函数中完成file_operations结构体的注册（即放入chrdevs数组）；当应用程序调用open打开字符设备节点时，内核通过sys_open函数解析设备节点的主设备号，到chrdevs数组中找到对应的驱动程序，最终调用驱动程序中实现的open函数。整个交互逻辑就是这样。
