ARM《10》_01_字符设备驱动基础、学习开发字符驱动内核程序、总结规律和模板

0、前言：

• 这是一篇以问题为导向，的技术贴！
• 学习 字符设备驱动开发 的基础知识实现简单的基础案例；

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基础概念库：

一、内核驱动相关知识概览：

二、linux内核驱动开发基础知识

• 【很重要】Linux 内核主要遵循 C89（ANSI C，1989 年制定的 C 标准）编程规范，对 C99 及以上标准的特性支持有限，若使用 C99 特有的语法，很可能会触发编译（make）错误。这是内核开发的一个重要约定，主要由历史原因和兼容性需求决定。

1、Linux 内核中驱动的分类：

• 块设备驱动：用于管理以“块”为单位读写数据的设备，数据块大小一般是512字节或更大，例如硬盘、u盘、sd卡，光盘等；支持随机访问，内核会提供缓存机制；如果涉及存储开发，需要学习；
• 网络设备驱动：用于管理实现网络通信的设备，不直接对应文件系统中的节点，而是通过网络协议栈工作，例如以太网网卡、蓝牙模块、4G/5G模组等；数据传输单位是“帧”，需要处理网络协议（TCP、IP）的封装和解封装，工作机制和其他两类差异比较大；从事嵌入式网络开发、网关设备或无线通信设备开发时，该类型驱动是核心技能。
• 字符设备驱动【适合入门】 ：应用场景是串口、按键、LED、ADC、传感器等大量常用外设都属于字符设备，学习后能快速对接实际硬件；字符设备驱动涉及的内核 API（如设备号申请、file_operations 结构体、中断处理），是学习其他类型驱动的基础。

2、linux中字符设备驱动基础知识点：

• linux系统中设备文件和普通文件的区别：
  ①、普通文件（Regular File）本质：存储实际数据的文件（文本、二进制、图片、程序等），数据以字节流形式保存在磁盘、分区等存储介质中。存在形式：真实占用磁盘空间，内容由用户或程序写入，删除后空间会被释放；
  ②、设备文件（Device File）本质：用户空间与硬件设备（或内核虚拟设备）交互的接口，不存储实际数据，而是通过文件操作（read/write等）映射到设备驱动的功能。 存在形式：通常位于 /dev 目录下，不占用磁盘空间（仅占用一个 inode 节点记录元信息），删除后重新创建设备节点即可恢复功能。 典型场景：/dev/sda（硬盘设备）、/dev/ttyS0（串口设备）、/dev/null（虚拟空设备）、/dev/zero（虚拟零设备）等。

• 在Linux系统中一切皆是文件，字符设备亦如此。 在/dev目录下可以看到很多创建好的设备节点，如下图所示：
  

• 字符设备基础概念：
  1、字符设备：按字节流顺序读写的设备（如虚拟设备、串口等），对应文件系统中的一个设备节点（如/dev/mydevice）。
  2、设备号：每个字符设备由 “主设备号（major）+ 次设备号（minor）” 唯一标识，主设备号标识驱动类型，次设备号标识具体设备。
  3、file_operations 结构体：驱动与用户空间交互的 “桥梁”，里面定义了 read/write/open/close 等操作的函数指针。

3、字符设备核心结构体

• 1、struct cdev：字符设备的核心结构体，用于绑定设备操作函数并注册到内核，包含owner（所属模块）、ops（指向file_operations）等成员。
• 2、file_operations：驱动与用户空间交互的 “函数表”，核心成员包括：
  • open/release：设备打开 / 关闭时的回调（如初始化资源、统计打开次数）。
  • read/write：用户读写设备时的回调（需用copy_to_user/copy_from_user完成内核与用户空间的数据拷贝）。
  • unlocked_ioctl：提供设备控制接口（如设置设备参数，需处理命令码）。
  • owner：通常设为THIS_MODULE，防止模块在被使用时卸载。

4、字符设备的设备号管理

• 设备号的组成：
  • 主设备号（major）：标识驱动类型（如串口驱动共用一个主设备号），范围 0~255（动态分配可更大）。
  • 次设备号（minor）：标识同一驱动管理的多个设备（如/dev/ttyS0和/dev/ttyS1的次设备号为 0 和 1）。
• 设备号类型dev_t：通过MKDEV(major, minor)组合主 / 次设备号，MAJOR(dev_t)/MINOR(dev_t)拆分。
• 设备号的申请与释放
  • 静态申请：register_chrdev_region(devno, count, name)（指定主设备号，需确保不冲突）。
  • 动态分配：alloc_chrdev_region(&devno, first_minor, count, name)（推荐，内核自动分配主设备号）。
  • 释放：unregister_chrdev_region(devno, count)（模块退出时必须调用，避免资源泄漏）。

5、设备注册与注销

• 字符设备的注册流程：申请设备号（register_chrdev_region或alloc_chrdev_region）。初始化cdev：cdev_init(&my_cdev, &fops)（绑定file_operations）。注册到内核：cdev_add(&my_cdev, devno, count)（count为设备数量）。
• 注销流程：从内核移除设备：cdev_del(&my_cdev)。释放设备号：unregister_chrdev_region(devno, count)（与注册时的count一致）。

6、用户空间交互

• 数据拷贝：内核空间与用户空间严格隔离，必须通过内核提供的函数拷贝数据：
  • copy_to_user(dst, src, n)：从内核空间（src）拷贝n字节到用户空间（dst），返回 0 表示成功。
  • copy_from_user(dst, src, n)：从用户空间（src）拷贝n字节到内核空间（dst），返回 0 表示成功。
    禁止直接访问用户空间指针（可能因内存分页或权限导致崩溃）。
• 设备节点：用户空间通过/dev目录下的设备节点访问设备，需用mknod创建：
  • sudo mknod /dev/xxx c major minor（c表示字符设备）。
  • 自动创建设备节点：通过udev规则（用户空间）或内核class机制（class_create/device_create），避免手动执行mknod。

★7、开发流程：

三、linux系统分层

1、概念解释：

• 应用层（用户态）：
  Linux 中所有 ELF 可执行、动态库、解释器、容器进程都跑在用户空间，使用glibc/musl封装的 POSIX API，通过 syscall 指令陷入内核；它们只能看到自己的虚拟地址空间，任何对硬件或全局资源的访问都必须经过系统调用。
• 系统调用层（内核态）：
  Linux 内核源码里的 kernel/entry/ 与 include/linux/syscalls.h 提供的系统调用入口集合，共 400 余条（如 sys_read、sys_open），用户态执行 syscall 指令后 CPU 切换到 Ring 0，先到达该层做寄存器保存、参数检查、内核栈切换，再分发到对应的内核子系统；执行完毕把返回值写入 rax 并 sysret 回到用户态。
• 内核（内核态）：
  即 Linux 内核本身，包括进程调度器（CFS）、内存管理（slab、页表、反向映射）、虚拟文件系统（VFS）、网络协议栈（TCP/IP、Netfilter）、设备驱动、中断/异常处理、cgroups、seccomp 等，所有代码运行在内核空间，可直接访问物理地址和设备寄存器，系统调用层是其对外暴露的唯一受控接口。

2、类比说明：把 Linux 想象成一座办公大厦

• 应用层 → 普通员工在自己的工位（用户空间）干活，想打印、开空调、订会议室，只能填“服务申请单”（系统调用）。
• 系统调用层 → 前台接待（大厦唯一对外窗口），负责验单、登记、刷卡，把人或请求送进后厨机房，本身不碰打印机/空调。
• 内核层 → 物业维修队 + 机房 + 配电室，真正接电线、换墨盒、调温度，再把结果送回前台，前台再转给员工。

四、内核中常见错误码：

• 错误码的返回形式：驱动中需返回 “负的错误码”（如 -EINVAL），内核会自动转换为用户空间的 errno（正数）。
  

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具体问题解决：

案例 1：极简虚拟字符设备（入门）

• 跑通 “模块加载→设备注册→用户访问” 的完整流程，建立驱动基础认知。加载驱动时自动申请设备号、注册 cdev；支持open/close操作，记录设备被打开的次数（通过dmesg查看）；用户通过ls /dev/xxx确认设备节点，用cat/echo测试（虽无读写逻辑，但能验证设备存在）。
• 用内核内存数组模拟 “硬件存储区”，无需真实存储芯片。
• 检查是否已安装内核源码或内核头文件（用于编译模块），若存在则正常；否则安装。

• 有基本的编译工具（gcc、make）；

first.c文件

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>         // file_operations结构体
#include <linux/cdev.h>       // 字符设备结构体// 设备名称（自定义，用于标识设备）
#define DEV_NAME "myfirstdev"// 全局变量
static int major = 0;                  // 主设备号（0表示自动分配）
static int open_count = 0;             // 记录设备打开次数
static struct cdev my_cdev;            // 字符设备结构体// 1. 实现open函数（用户打开设备时调用）
static int mydev_open(struct inode *inode, struct file *filp) {open_count++;  // 每次打开，计数+1// 内核打印（用KERN_INFO级别，dmesg可查看）printk(KERN_INFO "[myfirstdev] open: 第%d次打开设备\n", open_count);return 0;  // 成功返回0
}// 2. 实现release函数（用户关闭设备时调用）
static int mydev_release(struct inode *inode, struct file *filp) {printk(KERN_INFO "[myfirstdev] release: 设备已关闭\n");return 0;  // 成功返回0
}// 3. 定义文件操作集合（绑定open/release）
static struct file_operations mydev_fops = {.owner = THIS_MODULE,    // 所属模块（防止模块被意外卸载）.open = mydev_open,      // 绑定open函数.release = mydev_release // 绑定release函数
};// 定义入口函数
static int __init my_cd1_init(void)
{   	int ret;dev_t devno;  // 设备号（主+次）// 步骤A：申请设备号（自动分配）// 参数：设备号指针、起始次设备号、设备数量、设备名称ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0