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外观

一、设备与设备文件 ​

在 Linux 中，内核通过驱动程序管理各种硬件设备或虚拟设备，例如：

  • 串口控制器
  • GPIO 控制器
  • 随机数发生器
  • 存储控制器
  • 显示控制器等

用户空间程序不会直接操作硬件寄存器，而是通过内核提供的统一接口访问设备。

前面的章节我们讲过，就是 设备文件（device file），通常位于 /dev 目录下。

在开发板上执行：

bash
ls -l /dev

可以看到类似：

bash
crw-rw-rw-  1 root  root      1,   3 12月  9 19:02 null
crw-rw----  1 root  tty       4,   0 12月  9 19:02 tty0
brw-rw----  1 root  disk    179,   0 12月  9 19:02 mmcblk0

这些条目并不是普通的磁盘文件，而是“设备的访问入口”。 用户空间通过对这些设备文件进行 open / read / write / ioctl 等操作，从而间接访问实际设备。

二、字符设备与块设备的基本分类 ​

从“访问方式”的角度，Linux 将设备大致分为两大类：

  1. 字符设备（Character Device）
  2. 块设备（Block Device）

在 /dev 中，可以通过 ls -l 输出的第 1 列第 1 个字符区分：

  • 以 c 开头的：字符设备（character）
  • 以 b 开头的：块设备（block）

示例：

bash
crw-rw-rw-  1 root  root      1,   3 ...  null     # 字符设备
brw-rw----  1 root  disk    179,   0 ...  mmcblk0  # 块设备

1. 字符设备 ​

字符设备（Character Device）以字节流的方式对外提供访问接口。其特点包括：

  • 按字节（或字节序列）顺序读写数据，类似于流式 I/O。
  • 通常不要求对齐到固定大小的数据块。
  • 适用于各种控制类设备或流式数据设备。

典型例子：

  • 串口终端：/dev/ttyS0、/dev/ttyS1 等
  • 控制台：/dev/console
  • 随机数设备：/dev/random、/dev/urandom
  • 虚拟设备：/dev/null、/dev/zero
  • GPIO / I2C / SPI 等控制接口在很多系统上也通过字符设备形式呈现
  • 用户自定义的字符设备：如 /dev/mychar 等

用户空间访问字符设备示例：

c
int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);
write(fd, buf, len);
read(fd, buf, len);
close(fd);

在内核中，这类设备通常由字符设备驱动实现，通过一组回调函数（file_operations）响应上述系统调用。

2. 块设备 ​

块设备（Block Device）以固定大小的数据块为单位进行访问，例如 512 字节、4 KB 等。其特点包括：

  • 支持高效的随机访问和缓存机制。
  • 主要用于各种持久化存储介质。

典型例子：

  • eMMC / SD 卡：/dev/mmcblk0、/dev/mmcblk0p1 等
  • U 盘、SATA/USB 磁盘：/dev/sda、/dev/sdb
  • 压缩内存块设备：/dev/zram0 等

块设备通常并不会直接被应用程序以“原始块”形式频繁访问，而是：

  1. 在其上创建文件系统（如 ext4、vfat 等）；
  2. 把该块设备挂载到某个目录；
  3. 通过普通文件读写接口访问文件系统中的文件。

块设备驱动与文件系统配合使用，相对复杂，暂不不重点展开。

三、为什么重点学习字符设备驱动 ​

在 Linux 驱动开发中，存在多种类型的驱动：

  • 字符设备驱动
  • 块设备驱动
  • 网络设备驱动
  • 输入子系统驱动（键盘、触摸屏等）
  • 声音子系统驱动（ALSA）
  • 图形 / 显示驱动等

对于初学者而言，从字符设备驱动入门具有以下优势：

  1. 接口形式直观 字符设备使用的操作接口与普通文件类似，包括：
    • open
    • read
    • write
    • ioctl
    • close 等 这些接口在用户空间编程中也经常使用，便于理解。
  2. 调试方式简洁 字符设备一旦在 /dev 下建立了节点，可以直接通过：
    • echo / cat
    • hexdump
    • 简单的 C 测试程序 对设备进行读写操作，验证驱动逻辑。
  3. 适用范围广 很多简单或中等复杂度的外设，都可以通过字符设备模型进行封装，例如：
    • GPIO 控制
    • 简单的传感器
    • LED 灯控制
    • 虚拟测试设备等

因此，这一章节将围绕字符设备的基本概念和实现方式展开，包括：

  • 设备号的申请与管理
  • 字符设备框架（cdev / miscdevice 等）
  • 设备节点的创建（/dev/mychar）
  • 用户应用与驱动之间的数据交互方式等。

四、接口：file_operations ​

用户空间在访问设备文件时，使用标准的系统调用：

  • open() / close()
  • read() / write()
  • ioctl() 等

内核在接收到这些调用后，需要将其转交给具体设备驱动去处理。 这一过程在字符设备中，主要通过 struct file_operations 完成。

一个典型的字符设备驱动中，会定义类似如下的结构体：

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

含义可以简单理解为：

  • 当用户空间对 /dev/mychar 调用 open() 时，内核会调用驱动中的 my_open()。
  • 当调用 read() 时，会进入 my_read()。
  • 当调用 write() 时，会进入 my_write()。
  • 当调用 ioctl() 时，会进入 my_ioctl()。

因此，从内核实现角度看：

字符设备驱动 = 一组 **file_operations** 回调函数 + 设备号注册 + 与 **/dev** 设备节点的绑定。

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