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# Linux字符设备控制怎么实现
## 1. 字符设备驱动概述
在Linux系统中，设备驱动分为三大类：字符设备、块设备和网络设备。其中字符设备是最基础的一类，它以字节流的形式进行数据读写，没有固定的块大小。典型的字符设备包括键盘、鼠标、串口等。
### 1.1 字符设备特点
- 以字节为单位进行顺序读写
- 通常不支持随机访问
- 不经过系统缓冲区
- 通过设备文件（如/dev下的文件）进行访问
## 2. 字符设备驱动实现框架
实现一个基本的字符设备驱动需要以下几个核心组件：
### 2.1 设备号管理
Linux内核使用设备号来唯一标识设备，分为主设备号和次设备号：
```c
#include <linux/fs.h>
dev_t dev; // 设备号变量
int major = 0; // 主设备号，0表示动态分配
int minor = 0; // 次设备号
// 分配设备号
int alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned baseminor, unsigned count, const char *name);
// 释放设备号
void unregister_chrdev_region(dev_t from, unsigned count);
这是驱动实现的核心，定义了设备支持的各种操作：
struct file_operations {
struct module *owner;
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
// 其他操作...
};
表示字符设备的内核数据结构：
struct cdev {
struct kobject kobj;
struct module *owner;
const struct file_operations *ops;
struct list_head list;
dev_t dev;
unsigned int count;
};
分配设备号
if (alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "my_char_dev") < 0) {
printk(KERN_ERR "Failed to allocate device number\n");
return -1;
}
major = MAJOR(dev);
初始化cdev结构
struct cdev my_cdev;
cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
my_cdev.owner = THIS_MODULE;
添加cdev到系统
if (cdev_add(&my_cdev, dev, 1) < 0) {
printk(KERN_ERR "Failed to add cdev\n");
unregister_chrdev_region(dev, 1);
return -1;
}
static int my_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
printk(KERN_INFO "Device opened\n");
return 0;
}
static int my_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
printk(KERN_INFO "Device closed\n");
return 0;
}
static ssize_t my_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
char *msg = "Hello from kernel!\n";
size_t len = strlen(msg);
if (*f_pos >= len)
return 0;
if (copy_to_user(buf, msg + *f_pos, len - *f_pos))
return -EFAULT;
*f_pos += (len - *f_pos);
return (len - *f_pos);
}
static ssize_t my_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)
{
char kbuf[100];
if (copy_from_user(kbuf, buf, count))
return -EFAULT;
printk(KERN_INFO "Received: %s\n", kbuf);
return count;
}
#define MY_MAGIC 'k'
#define MY_CMD_1 _IO(MY_MAGIC, 1)
#define MY_CMD_2 _IOR(MY_MAGIC, 2, int)
static long my_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
switch (cmd) {
case MY_CMD_1:
printk(KERN_INFO "CMD_1 executed\n");
break;
case MY_CMD_2:
printk(KERN_INFO "CMD_2 with arg %ld\n", arg);
break;
default:
return -ENOTTY;
}
return 0;
}
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,
};
驱动加载后，需要创建设备文件：
mknod /dev/my_char_dev c 主设备号 次设备号
chmod 666 /dev/my_char_dev
使用udev机制自动创建设备文件：
static struct class *my_class;
my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_char_class");
device_create(my_class, NULL, dev, NULL, "my_char_dev");
device_destroy(my_class, dev);
class_destroy(my_class);
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/device.h>
#define DEVICE_NAME "my_char_dev"
static int major;
static struct cdev my_cdev;
static struct class *my_class;
static int my_open(struct inode *inode, struct file *filp) { /*...*/ }
static int my_release(struct inode *inode, struct file *filp) { /*...*/ }
static ssize_t my_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { /*...*/ }
static ssize_t my_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos) { /*...*/ }
static long my_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) { /*...*/ }
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,
};
static int __init my_init(void)
{
dev_t dev;
// 分配设备号
if (alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, DEVICE_NAME) < 0)
return -1;
major = MAJOR(dev);
// 初始化cdev
cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
my_cdev.owner = THIS_MODULE;
// 添加cdev
if (cdev_add(&my_cdev, dev, 1) < 0) {
unregister_chrdev_region(dev, 1);
return -1;
}
// 创建设备类
my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_char_class");
device_create(my_class, NULL, dev, NULL, DEVICE_NAME);
printk(KERN_INFO "Driver loaded with major %d\n", major);
return 0;
}
static void __exit my_exit(void)
{
dev_t dev = MKDEV(major, 0);
device_destroy(my_class, dev);
class_destroy(my_class);
cdev_del(&my_cdev);
unregister_chrdev_region(dev, 1);
printk(KERN_INFO "Driver unloaded\n");
}
module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#define DEVICE "/dev/my_char_dev"
int main()
{
int fd = open(DEVICE, O_RDWR);
char buf[100];
read(fd, buf, sizeof(buf));
printf("Read: %s\n", buf);
write(fd, "Hello driver", 12);
ioctl(fd, MY_CMD_1);
ioctl(fd, MY_CMD_2, 123);
close(fd);
return 0;
}
printk输出调试信息dmesg | tailcat /proc/devicesls -l /dev/my_char_dev使用等待队列实现阻塞：
DECLARE_WT_QUEUE_HEAD(my_waitqueue);
static int data_ready = 0;
// 在read中等待
wait_event_interruptible(my_waitqueue, data_ready);
// 在write中唤醒
data_ready = 1;
wake_up_interruptible(&my_waitqueue);
实现mmap操作：
static int my_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;
// 映射处理...
return 0;
}
本文详细介绍了Linux字符设备驱动的实现方法，包括： - 设备号管理 - 核心数据结构 - 文件操作实现 - 设备文件创建 - 测试调试方法
通过理解这些基础内容，开发者可以构建功能完善的字符设备驱动，并根据需要扩展更复杂的功能。
注意：实际开发中应考虑并发控制、错误处理等更多细节，本文示例为简化版本。完整的驱动实现应包含适当的同步机制（如互斥锁）和全面的错误检查。 “`
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