如果你希望写一篇更纯粹、更侧重于**“字符设备驱动基础架构”**的博文，可以参考下面这一篇。这篇博文去掉了特定的 ioctl 细节，专注于字符设备驱动的“三大支柱”：设备号管理、文件操作接口、以及内核/用户空间的数据交换。

Linux 内核开发：手把手教你构建一个规范的字符设备驱动

1. 什么是字符设备驱动？

字符设备（Character Device）是 Linux 驱动中最常见的类型之一。它像一个字节流（如文件）一样被访问。不同于块设备（如硬盘）需要随机读写，字符设备通常按照先后顺序进行数据的读取和写入，常见的键盘、串口、显示器驱动都属于这一类。

2. 字符设备驱动的“三大支柱”

开发一个字符设备驱动，主要围绕以下三个核心环节：

① 设备的“身份证明”：设备号（dev_t）

在 Linux 中，每个设备都有一个主设备号（Major Number）和次设备号（Minor Number）。

  • 主设备号：对应驱动程序。
  • 次设备号：对应驱动程序控制的具体设备。
    规范写法：建议使用 alloc_chrdev_region 让内核自动分配，避免手动指定的冲突。

② 驱动的“大脑”：文件操作接口（file_operations）

这是用户态与内核态的“翻译官”。当用户调用 read() 或 write() 时，内核会通过这个结构体找到驱动中对应的函数。

③ 安全的“关卡”：空间拷贝

内核空间和用户空间是隔离的。驱动程序绝对不能直接解引用用户态传来的指针，必须使用：

  • copy_from_user()：安全地从用户态获取数据。
  • copy_to_user()：安全地发送数据给用户态。

3. 核心代码框架解析

我们将实现一个简单的“内存回显设备”，用户写入什么，下次就能读取出什么。

3.1 驱动初始化：注册与自动创建节点

现代驱动不再需要手动执行 mknod 命令，通过 class_create 和 device_create 可以实现 /dev/ 下节点的自动生成。

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static int __init mychardev_init(void) {
    // 1. 申请设备号
    alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_device");

    // 2. 初始化 cdev 并绑定 fops
    cdev_init(&my_cdev, &mychardev_fops);
    cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);

    // 3. 创建类和设备节点（实现自动生成 /dev/mychardev）
    my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_class");
    device_create(my_class, NULL, dev_num, NULL, "mychardev");
    
    return 0;
}

3.2 读写逻辑：内存数据交换

为了保证多进程访问时的安全，我们引入了 mutex 互斥锁。

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static ssize_t my_read(struct file *file, char __user *buf, size_t len, loff_t *ppos) {
    size_t to_copy = ...; 
    // 使用 copy_to_user 将内核缓冲区数据传给用户
    if (copy_to_user(buf, kernel_buf + *ppos, to_copy))
        return -EFAULT;
    
    *ppos += to_copy;
    return to_copy;
}

static ssize_t my_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t len, loff_t *ppos) {
    // 使用 copy_from_user 从用户空间接收数据
    if (copy_from_user(kernel_buf, buf, len))
        return -EFAULT;
        
    return len;
}

4. 实验与验证

编译驱动

使用标准的内核 Makefile 编译生成 .ko 文件：

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make
sudo insmod mychardev.ko

快速测试

甚至不需要写 C 程序，直接利用 Shell 命令即可测试驱动：

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# 写入测试
echo "Hello Kernel" > /dev/mychardev

# 读取测试
cat /dev/mychardev

查看内核日志

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dmesg | tail

你会看到驱动输出的加载信息以及读写字节数。

5. 学习总结与进阶建议

编写字符设备驱动时，有几个规范必须遵守：

  1. 始终检查返回值：内核是脆弱的，任何分配失败（如内存、设备号）都必须有完善的 goto 回滚逻辑。
  2. 保护共享资源：只要有全局变量，就必须考虑并发。互斥锁（Mutex）是最简单有效的保护方式。
  3. 遵循 GPL 协议：在模块末尾声明 MODULE_LICENSE("GPL")。

下一步建议：在掌握了基础读写后，可以尝试研究 poll（非阻塞IO）或 unlocked_ioctl（设备控制），这些是通往中级驱动工程师的必经之路。