一、什么是字符设备？

字符设备（Character Device）是一类能像“一个字节一个字节”那样进行数据流式读写的设备，常见例子有串口、键盘、鼠标等。用户和程序通过文件操作（open、read、write、close 等）和字符设备交互。

例如：

int fd = open("/dev/mydevice", O_RDWR);
write(fd, buffer, size);
read(fd, buffer, size);
close(fd);

目标：将用户的请求从用户空间传递到内核空间的字符驱动。

二、为什么需要字符设备框架？

如果没有统一的字符设备框架，每个驱动开发者都要单独处理文件操作、设备号分配、数据读写等底层细节，这不但复杂、容易出错，还容易造成各自为政、不一致的代码风格。

字符设备框架为驱动开发者提供了一个标准流程和接口，你只需要关注设备本身的实现（比如如何读写具体硬件），不用重复去关心如何让内核认识你的设备、如何和用户空间通信这些共性步骤。这样可以让驱动开发变得高效、规范，并且方便后期维护和升级。

说明

字符设备框架就是为了“统一入口、简化开发、避免重复、减少错误”，新手跟着框架的流程搭，就能更快地写出符合规范的驱动。

三、字符设备驱动基本流程

1. 注册字符设备

在内核中，字符设备都有一个 " 设备号 " （主设备号+次设备号），注册时会告诉系统这个驱动负责的设备号范围。

主要函数：

• register_chrdev_region() 或 alloc_chrdev_region()
• 返回一个dev_t类型的设备号

2. 初始化并注册 cdev 结构体

注册后，需要把自己的驱动操作 “ 集合 ” （read、write等）和设备号绑定起来：

主要结构体：

• struct cdev

主要函数：

• cdev_init()
• cdev_add()

3. 实现 file_operations 接口

系统调用会通过 VFS（虚拟文件系统）进入内核。VFS的作用是把不同文件系统的操作统一管理，具体来说：

• VFS 通过file_operations结构体找到设备驱动中对应的操作实现。例如，当你读写文件时，VFS会根据这个结构体里的信息找到具体硬件的操作方法。
• file_operations是驱动程序的核心配置表，它记录了驱动如何处理各种操作（如读、写、打开文件等）。可以把它想象成驱动的"操作说明书"，告诉操作系统每个动作该调用哪个具体函数。

这样设计的好处是让操作系统不用关心具体硬件细节，只要通过VFS和 file_operations 就能兼容不同设备的文件操作。

file_operations结构体定义了设备支持哪些操作，比如 open、read、write 等。

static struct file_operations xxx_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = xxx_open,
    .release = xxx_release,
    .read = xxx_read,
    .write = xxx_write,
    .... // 其他操作
    // 可以根据需要只实现一部分
};

4. 创建设备节点

让用户空间可以通过 /dev/xxx 访问这个设备。

一般使用class_create()、device_create()结合udev自动生成节点。

struct class* xxx_class = class_create(THIS_MODULE, "xxx_class");
device_create(xxx_class, NULL, devno, NULL, "xxx_dev");

5. 卸载驱动和清理

• cdev_del()
• unregister_chrdev_region()
• device_destroy()
• class_destroy()

四、应用程序的操作

应用程序通过 open() 打开字符设备文件时，内核会根据设备节点的主设备号，在字符设备注册表中找到对应驱动，然后通过驱动注册时提供的 file_operations 结构体，把用户请求（如 read、`write` 等）映射到实际的驱动处理函数，实现了用户操作与设备硬件的高效连接。