Linux 字符设备驱动基础开发详解（1）

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书接上回 Linux 应用程序如何操作底层硬件。 在上一小节中我们分析了 Linux 操作底层硬件的原理，以及什么是字符设备。本节将具体讲解字符设备驱动的开发流程与关键步骤之-如何在内核空间中加载/卸载设备驱动？。

01 学习重点

在明确字符设备概念及其运行空间（内核空间）的基础上，接下来我们需要焦两个核心问题：

1. 如何在内核空间中加载/卸载设备驱动？
2. 如何初始化外设？ —— 与裸机开发类似，Linux 驱动同样需要初始化相应外设寄存器（这个问题将在下一节中详细学习）。

02 驱动的加载与卸载

两种加载方式

⚠️ 模块依赖与正确用法

内核中可能存在多个驱动，且模块之间会有依赖（互相调用，类似 include、import）。

• 仅用 insmod：无法自动处理依赖，依赖未加载时可能失败。
• � 推荐*：使用 modprobe 加载模块。它会解析依赖，按顺序加载当前模块及其依赖。
• modprobe 默认在 /lib/modules/<kernel-version> 下查找模块（如内核 4.1.15 则查找 /lib/modules/4.1.15）。
• 卸载建议：用 rmmod 卸载当前模块；慎用 modprobe -r，它会连同依赖一起卸载，可能影响其他模块。

入口与出口：init 与 release

驱动需显式指定加载时入口和卸载时出口，对应「初始化」和「释放」逻辑：

• module_init(xxx_init)：指定模块加载函数。执行 insmod 时，内核会调用 xxx_init()。
• module_exit(xxx_exit)：指定模块卸载函数。执行 rmmod 时，内核会调用 xxx_exit()。

// 驱动入口函数：加载时执行
staticint __init xxx_init(void)
{
// 入口函数具体内容（如注册设备、申请资源）
return0;
}

// 驱动出口函数：卸载时执行
staticvoid __exit xxx_exit(void)
{
// 出口函数具体内容（如注销设备、释放资源）
}

// 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);

03 设备与设备号

一切皆文件

Linux 遵循 「一切皆文件」：硬件设备在系统中以设备节点的形式呈现（设备树等机制在后续说明）。
应用层通过操作设备文件来访问设备，背后由 file_operations 与驱动对接。

设备号：主设备号 + 次设备号

为便于管理，每个设备都有设备号，由两部分组成：

• 内核用 dev_t（32 位）表示设备号：高 12 位为主设备号，低 20 位为次设备号。
• 因此主设备号范围为 0~4095，且应不与其他驱动冲突。
• 查看已占用设备号：**cat /proc/devices**（静态分配时选号前建议先查）。

静态分配 vs 动态分配

• 静态分配：自己指定主设备号（如 200），需确保未被占用。
• 动态分配：由内核分配主设备号，避免冲突，推荐在可插拔或通用驱动中使用。

/*
 * 动态申请设备号
 * @param dev      : 输出参数，保存申请到的设备号
 * @param baseminor: 次设备号起始值（常为 0）
 * @param count    : 申请的设备数量（一段连续号，主设备号相同，次设备号从 baseminor 递增）
 * @param name     : 设备名（出现在 /proc/devices）
 */
intalloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, constchar *name);

/*
 * 注销字符设备后释放设备号
 * @param from : 要释放的起始设备号
 * @param count: 从 from 起要释放的设备号数量
 */
voidunregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);

为了让快速上手，我们本篇先使用设备号静态分配, 以及 最简单的旧版静态注册接口 register_chrdev。

04 file_operations：应用与驱动的桥梁

file_operations 是连接用户空间系统调用与内核驱动实现的桥梁。
用户态调用 open、read、write、close 等，最终会落到该结构体中对应的函数指针。

因此在模块加载函数中需要注册字符设备（绑定设备号与 file_operations），在模块卸载函数中需要注销设备。

注册 / 注销接口（旧接口示例）

/**
 * 注册字符设备（指定主设备号）
 * @param major : 主设备号
 * @param name  : 设备名
 * @param fops  : 指向 file_operations 的指针
 */
staticinlineintregister_chrdev(unsignedint major, constchar *name,
const struct file_operations *fops);

/**
 * 注销字符设备
 * @param major : 要注销的设备的主设备号
 * @param name  : 要注销的设备名
 */
staticinlinevoidunregister_chrdev(unsignedint major, constchar *name);

05 实现操作函数与完整流程示例

驱动需要实现 open、read、write、release 等，并填入 **file_operations**，再在 init 中注册、在 exit 中注销。

操作函数与 file_operations 定义

// 打开设备
staticintchrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp){ return0; }

// 从设备读取
staticssize_tchrtest_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
return0;
}

// 向设备写入
staticssize_tchrtest_write(struct file *filp, constchar __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
return0;
}

// 关闭/释放设备
staticintchrtest_release(struct inode *inode, struct file *filp){ return0; }

// 连接用户空间与内核驱动的核心结构
staticstructfile_operationstest_fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = chrtest_open,
    .read    = chrtest_read,
    .write   = chrtest_write,
    .release = chrtest_release,
};

在 init/exit 中注册与注销

#define CHRDEVBASE_MAJOR 200        // 主设备号（需保证未占用）
#define CHRDEVBASE_NAME "chrdevbase"// 设备名

staticint __init xxx_init(void)
{
int retvalue = 0;

    retvalue = register_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME, &test_fops);
if (retvalue < 0) {
        printk("driver register failed\n");
return retvalue;
    }
return0;
}

staticvoid __exit xxx_exit(void)
{
    unregister_chrdev(CHRDEVBASE_MAJOR, CHRDEVBASE_NAME);
    printk("chrdevbase_exit()\n");
}

module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);

模块信息（必选与可选）

// LICENSE 必须声明，否则编译会报错
MODULE_LICENSE("GPL");
// 作者信息可选
MODULE_AUTHOR("xxxxx");

06 小结

按上述步骤即可完成一个最简字符设备驱动的加载、卸载与读写框架，为后续具体硬件操作打下基础。