驱动开发硬核特训 · Day 16：字符设备驱动模型与实战注册流程

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一、为什么要学习字符设备驱动？

在 Linux 驱动开发中，字符设备（Character Device）驱动 是最基础也是最常见的一类驱动类型。很多设备（如 LED、按键、串口、传感器）都可以以字符设备方式呈现，并通过 read()、write()、ioctl() 与用户空间通信。

理解字符设备驱动，不仅是掌握 Linux 驱动开发的起点，也为日后深入 platform、总线设备驱动、misc、input 等模型打下坚实基础。

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二、字符设备驱动的核心模型

字符设备驱动的注册模型由内核 include/linux/cdev.h 文件中的结构与接口决定：

2.1 struct cdev 是关键结构

struct cdev {struct kobject kobj;struct module *owner;const struct file_operations *ops;...
};

它是内核维护的代表“一个字符设备”的核心结构体。

2.2 file_operations 是接口描述

这是用户空间调用 open/read/write/ioctl 等系统调用时，最终调用的驱动函数集。

static const struct file_operations my_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = my_open,.read = my_read,.write = my_write,.release = my_release,
};

2.3 主设备号 & 次设备号

• 主设备号用于标识驱动程序
• 次设备号用于区分同一类驱动下的不同设备实例

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三、字符设备注册的五个步骤

学习字符设备注册的流程，可以总结为五步：

步骤 1：分配设备号

dev_t devno;
alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "mychardev");

• devno 是设备号（类型为 dev_t），用 MAJOR(devno) 和 MINOR(devno) 分别提取主次设备号。
• alloc_chrdev_region() 会自动分配主设备号。

步骤 2：初始化 cdev 结构

struct cdev my_cdev;
cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
my_cdev.owner = THIS_MODULE;

步骤 3：添加 cdev 到系统中

cdev_add(&my_cdev, devno, 1);

这一步使得字符设备被内核正式管理。

步骤 4：创建设备节点

配合 udev 或手动创建设备节点：

mknod /dev/mydev c <主设备号> <次设备号>

更推荐在内核中通过 class_create + device_create 来自动创建节点。

步骤 5：卸载时释放

device_destroy(my_class, devno);
class_destroy(my_class);
cdev_del(&my_cdev);
unregister_chrdev_region(devno, 1);

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四、完整实战代码：LED 字符设备驱动

我们用一个模拟的 LED 驱动为例，实现一个字符设备：

4.1 驱动核心代码

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/uaccess.h>#define DEV_NAME "myled"static dev_t devno;
static struct cdev my_cdev;
static struct class *my_class;static int led_value = 0;static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t len, loff_t *off)
{return copy_to_user(buf, &led_value, sizeof(led_value)) ? -EFAULT : sizeof(led_value);
}static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t len, loff_t *off)
{return copy_from_user(&led_value, buf, sizeof(led_value)) ? -EFAULT : sizeof(led_value);
}static int led_open(struct inode *inode, struct file *file)
{pr_info("LED device opened\n");return 0;
}static int led_release(struct inode *inode, struct file *file)
{pr_info("LED device closed\n");return 0;
}static struct file_operations led_fops = {.owner = THIS_MODULE,.read = led_read,.write = led_write,.open = led_open,.release = led_release,
};static int __init led_init(void)
{alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, DEV_NAME);cdev_init(&my_cdev, &led_fops);cdev_add(&my_cdev, devno, 1);my_class = class_create(THIS_MODULE, "myled_class");device_create(my_class, NULL, devno, NULL, DEV_NAME);pr_info("LED driver loaded: major=%d\n", MAJOR(devno));return 0;
}static void __exit led_exit(void)
{device_destroy(my_class, devno);class_destroy(my_class);cdev_del(&my_cdev);unregister_chrdev_region(devno, 1);pr_info("LED driver unloaded\n");
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Jerry");
MODULE_DESCRIPTION("Simple LED Char Device Driver");

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五、测试方法与验证

编译并加载

make
insmod myled.ko

查看设备节点

ls /dev/myled

读写测试

echo 1 > /dev/myled
cat /dev/myled

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六、文件系统中的呈现：/proc 与 /sys

字符设备驱动在加载后，会自动出现在以下路径中：

路径	含义
/proc/devices	显示当前注册的主设备号及驱动名
/sys/class/myled_class/myled/	设备节点属性
/dev/myled	用户空间访问入口

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七、理论总结：字符设备模型的特点

• 与平台设备无绑定关系，适合用于最简设备建模。
• 所有用户空间 I/O 都通过 file_operations 映射函数实现。
• 可作为更复杂模型（如 misc、input、platform）的基础。

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八、常见问题答疑

Q1：字符设备必须创建设备节点吗？

A：必须。否则无法从用户空间访问。可使用 mknod 或 device_create 自动生成。

Q2：file_operations 中哪些函数必须实现？

A：至少实现 open、release、read 和 write。也可以只实现 ioctl，视业务而定。

Q3：主设备号可以固定吗？

A：可以使用 register_chrdev() 指定固定主设备号，但建议使用动态分配。

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九、结语与展望

字符设备模型虽是最基础的驱动类型，但它揭示了驱动与用户空间之间的交互机制，是理解 Linux 驱动架构的入口。后续我们将继续向上探索：

• misc 模型
• platform 总线匹配机制
• device tree 配合 platform 驱动

敬请期待《驱动开发硬核特训 · Day 17》！

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