Linux 字符设备驱动框架详细介绍

Linux字符设备驱动框架是Linux内核中用于管理字符设备的核心组成部分。字符设备是与系统进行字节流通信的I/O设备，例如键盘、鼠标、串口等。在Linux系统中，设备通常表现为设备文件，而字符设备文件的类型标识为"c"。 驱动模型的核心是`struct file_operations`结构体，它定义了对设备文件的各种操作接口，如`read`、`write`、`open`、`close`等。当应用程序通过文件描述符操作设备文件时，实际上是调用了这些预先注册的回调函数。例如，`read`函数用于从设备读取数据到用户空间，`write`则将用户空间的数据写入设备。`struct cdev`结构体代表字符设备本身，包含了设备号、操作方法集等信息。 以下是一个简单的字符设备驱动示例： ```c #include <linux/cdev.h> #include <linux/fs.h> #include <asm-generic/uaccess.h> #include <linux/errno.h> ssize_t myread(struct file *filep, char __user * user_buf, size_t size, loff_t* offset){ return 0; } struct file_operations fops = { .owner = THIS_MODULE, .read = myread, ... }; static int __init chrdev_init(void){ struct cdev cdev; dev_t devno; /* 分配设备号 */ alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "my_dev"); /* 初始化cdev结构体 */ cdev_init(&cdev, &fops); cdev.owner = THIS_MODULE; /* 将字符设备添加到系统 */ if (cdev_add(&cdev, devno, 1)) { pr_info("Failed to add device\n"); return -1; } return 0; } static void __exit chrdev_exit(void){ /* 卸载设备 */ cdev_del(&cdev); unregister_chrdev_region(devno, 1); } module_init(chrdev_init); module_exit(chrdev_exit); ``` 在这个例子中，`chrdev_init`函数首先分配了一个设备号，然后初始化`cdev`结构体，并将其添加到系统中。`chrdev_exit`函数则负责在模块卸载时清理资源。 在驱动程序中，`struct cdev`的`ops`字段指向`file_operations`结构体，这样内核就能通过操作方法集中的函数指针执行实际的设备操作。`alloc_chrdev_region`用于分配设备号，`cdev_init`初始化`cdev`结构体，`cdev_add`将字符设备添加到系统中，而`cdev_del`和`unregister_chrdev_region`分别用于删除设备并释放设备号。 此外，`copy_to_user`和`copy_from_user`函数用于在内核空间和用户空间之间传输数据，这是内核驱动程序与用户空间应用程序交互的关键。 总结来说，Linux字符设备驱动框架涉及以下几个核心概念： 1. `struct file_operations`：定义设备文件的操作接口。 2. `struct cdev`：表示字符设备对象，包含设备号和操作方法集。 3. 设备号管理：通过`alloc_chrdev_region`分配，`unregister_chrdev_region`释放。 4. 驱动注册：通过`cdev_init`和`cdev_add`将设备添加到系统。 5. 用户空间与内核空间的数据交换：使用`copy_to_user`和`copy_from_user`。 了解和掌握这些知识点，是编写Linux字符设备驱动的基础，有助于开发者构建与硬件交互的内核模块。