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驱动开发硬核特训 · Day 18：深入理解字符设备驱动与子系统的协作机制（以 i.MX8MP 为例）

news 来源：原创 2025/5/1 21:37:11

日期：2025年04月23日
回顾：2025年04月22日（Day 17：Linux 中的子系统概念与注册机制）
本日主题：字符设备驱动 × 子系统协作机制剖析
学习目标：理解字符设备的注册原理，掌握其与子系统间的接口关系与工作流，结合实际代码实现。

一、前言：设备模型之后，我们为什么学习字符设备驱动？

在前面的内容中，我们系统掌握了设备模型的构成和原理，包括 bus、device、driver 之间的匹配与生命周期关系。这一模型为 Linux 驱动提供了统一的管理方式。但这只是驱动“框架”的一环，驱动真正提供“功能”的部分往往以“字符设备”的形式呈现。

尤其是在嵌入式平台如 NXP i.MX8MP EVK 上，GPIO、I2C、PWM、摄像头等模块的访问大多通过 /dev/ 下的字符设备进行，而这些字符设备的背后通常归属于某个子系统（例如：input、sound、misc、video、tty 等）。因此，今天我们要解决的是：

字符设备到底是什么？
它如何注册？如何与用户态通信？
它和设备模型有何关系？
子系统在其中扮演了什么角色？

二、字符设备驱动基础知识回顾

2.1 什么是字符设备？

字符设备（Character Device）是一种一次读取/写入一个字符流的设备接口，相对于块设备（如磁盘）而言，它没有缓冲区机制、没有对齐限制。常见的字符设备包括：

串口 /dev/ttyS*
GPIO /dev/gpiochip*
I2C /dev/i2c-*
自定义控制器设备（如 /dev/mypwm）

它们通常通过 file_operations 结构体实现系统调用的处理，如 read、write、ioctl 等。

2.2 注册字符设备的方法（核心 API）

字符设备的注册过程大致分为以下几步：

申请设备号：

alloc_chrdev_region(&devt, 0, 1, "demo_char");

初始化 cdev 并添加到系统：

cdev_init(&cdev, &fops);
cdev_add(&cdev, devt, 1);

创建设备节点：
```
class_create(); 
device_create();
```

注销字符设备（卸载时）：

device_destroy();
class_destroy();
unregister_chrdev_region();

三、子系统：字符设备驱动背后的组织者

在 Linux 中，并非所有字符设备都以“裸 API”的方式注册，大量的字符设备实际上是依附于子系统框架进行注册的。
在这里插入图片描述

3.1 子系统为何存在？

子系统（subsystem）是为了解决如下问题而出现的：

提供统一的设备类与行为抽象（如 input, tty, misc）
简化字符设备注册流程（抽象 class、cdev、major/minor）
提供统一的 ioctl、poll、open 行为（如 video4linux 的 V4L2）

举例：

子系统	设备名	注册方式
input	/dev/input/event*	input_register_device()
misc	/dev/misc/*	misc_register()
tty	/dev/ttyS*	tty_register_driver()
video	/dev/video*	video_register_device()

这些子系统往往会帮你封装掉字符设备注册流程，你只需关注“实现业务逻辑”。

3.2 子系统与字符设备的关系图

用户空间          内核空间
----------        -----------------------------------/dev/video0 --->  V4L2子系统 ----> 注册字符设备↑│platform_device / i2c_device / ...

四、实战：以 i.MX8MP 上的 LED 控制器为例讲解字符设备注册

4.1 示例背景

我们以 gpio-leds 中的一个 LED 为例，演示如何构造一个字符设备用于控制其亮灭。

设备树片段（位于 imx8mp-evk.dts）：

gpio-leds {compatible = "gpio-leds";pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_gpio_led>;status {label = "yellow:status";gpios = <&gpio3 16 GPIO_ACTIVE_HIGH>;default-state = "on";};
};

4.2 简单字符设备驱动代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>#define GPIO_NUM 80  // gpio3_16 = 32 * 2 + 16 = 80
static dev_t devt;
static struct cdev cdev;
static struct class *led_class;static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t len, loff_t *off)
{char kbuf[4];if (copy_from_user(kbuf, buf, len))return -EFAULT;gpio_set_value(GPIO_NUM, kbuf[0] == '1' ? 1 : 0);return len;
}static struct file_operations led_fops = {.owner = THIS_MODULE,.write = led_write,
};static int __init led_dev_init(void)
{gpio_request(GPIO_NUM, "led_gpio");gpio_direction_output(GPIO_NUM, 1);alloc_chrdev_region(&devt, 0, 1, "led_char");cdev_init(&cdev, &led_fops);cdev_add(&cdev, devt, 1);led_class = class_create(THIS_MODULE, "led_class");device_create(led_class, NULL, devt, NULL, "ledchar");pr_info("ledchar device init done\n");return 0;
}static void __exit led_dev_exit(void)
{gpio_set_value(GPIO_NUM, 0);gpio_free(GPIO_NUM);device_destroy(led_class, devt);class_destroy(led_class);cdev_del(&cdev);unregister_chrdev_region(devt, 1);
}module_init(led_dev_init);
module_exit(led_dev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

编译为模块，加载后可直接：

echo 1 > /dev/ledchar   # 点亮
echo 0 > /dev/ledchar   # 熄灭

五、为什么不能只靠设备模型或子系统？

设备模型的本质是“管理对象关系”，子系统的作用是“组织类行为”，但真正实现具体功能的，还得靠字符设备驱动这一“落地接口”。

我们可以这样理解它们三者的关系：

模块	角色
设备模型	提供注册匹配机制（device/driver）
子系统	封装字符设备注册流程，组织行为一致性
字符设备驱动	实现具体功能，操作底层硬件