Linux字符设备驱动开发详解

本文主要介绍了Linux字符设备驱动框架的基本概念和关键组件，包括字符设备的定义、设备文件的标识以及驱动模型。 在Linux系统中，字符设备是通过字节流进行通信的I/O设备，与块设备（如硬盘）和网络设备并列，广泛应用于鼠标、键盘、显示器和串口等。当查看`/dev`目录下的设备文件时，以字母`c`开头的表示字符设备，而以`b`开头的代表块设备。 驱动模型的核心在于Linux的文件抽象概念，设备文件被视为普通的文件，其操作接口定义在`struct file_operations`结构体中。开发者在编写字符设备驱动时，必须实现这个结构体中对应的函数，如`read`、`write`、`mmap`和`ioctl`等，这些函数分别对应于读取设备、写入设备、内存映射和设备控制等操作。这些函数的实现使得驱动程序能够响应应用程序的请求，并与硬件交互。 例如，`read`函数用于从设备读取数据到用户空间，其原型为： ```c ssize_t read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos); ``` 在这个函数中，`filp`指向当前打开的文件结构，`buf`是用户空间的缓冲区，`count`是期望读取的字节数，`ppos`是文件位置指针。驱动开发者需要在`read`函数内部处理实际的读取逻辑，可能涉及到与硬件交互，如从串口接收数据。 同样，`write`函数用于将用户空间的数据写入设备： ```c ssize_t write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos); ``` 在这里，驱动需要处理如何将数据传输到硬件，例如发送串口数据。 此外，`mmap`函数允许应用程序直接映射设备的内存，提高访问效率： ```c int mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma); ``` `unlocked_ioctl`则用于执行设备特有的控制命令： ```c long unlocked_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg); ``` 它提供了扩展设备功能的途径，可以处理各种设备特有的配置或控制请求。 在实现这些函数后，驱动还需要注册到系统中，通常使用`cdev_init`初始化`struct cdev`，然后通过`cdev_add`将其添加到系统中。设备文件的创建通常通过`device_create`完成，该函数会自动将驱动提供的`file_operations`结构体与设备节点关联。 Linux字符设备驱动的编写涉及设备操作接口的定义、驱动注册和设备文件的创建，通过这一系列步骤，才能使应用程序能够透明地与底层硬件交互，实现字符设备的功能。