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外观

在 Linux 系统中，所有硬件设备都会被当作文件来管理。这些设备对应的特殊文件叫做设备节点，都存放在/dev文件夹里。它们的作用就像桥梁：一边连接着系统内部识别的硬件设备，另一边让应用程序能像操作普通文件一样读写设备数据。这样程序就能通过访问这些特殊文件，间接控制硬件完成操作。

一、SYSFS 文件系统 ​

sysfs 是 Linux 内核提供的一个虚拟文件系统，通常挂载在 /sys 目录。它以目录和属性文件的形式，展示了系统中各类设备、内核模块、内核参数等信息。

像一扇窗口，让你不用深入内核代码即可直观看到所有硬件和驱动的情况。驱动注册时，如果用 class_create 等接口，会自动在 /sys/class/ 下生成相关的 class 目录（比如 /sys/class/myclass/），方便查看和自动生成 /dev/ 设备节点。

输入：

shell
ls /sys/class/

输出内容会类似于：

shell
android_usb/        gpio/         net/            rtc/        tty/
block/              hidraw/       power_supply/   sound/      usbmon/
drm/                input/        spidev/         thermal/    video4linux/
...

二、自动创建设备文件的工具 ​

Linux 新内核中，设备节点的创建主要借助于 udev（User Device），它是一种用户空间的设备管理工具。udev 能自动监控内核发出的硬件变化事件（如插入或移除设备），并智能地在 /dev/ 目录下为所有类型的设备创建设备节点文件。

udev的优点：

  • 自动识别设备，自动创建设备文件；
  • 支持对设备文件命名和权限进行自定义规则设置；
  • 不必手动用 mknod 创建节点，方便又安全。

三、手动创建设备节点 ​

虽然现在大多数情况下 udev 都会帮我们自动创建设备文件节点，但有时候为了测试或者内核配置特殊，我们可能需要自己手动创建节点。

可以使用命令：

sh
sudo mknod /dev/设备名 [c|b] 主设备号 次设备号
  • 设备名：自己定义，比如 mydev
  • c：表示字符设备（b 表示块设备）
  • 主设备号、次设备号：与驱动程序中注册时保持一致

示例： 创建一个 mydev ，设定为主设备号为 240，次设备号为 0：

sh
sudo mknod /dev/mydev c 240 0

还需要设置文件权限，例如：

sh
sudo chmod 666 /dev/mydev

这样，所有用户都可以读写该设备。

危险操作：删除设备节点使用 sudo rm /dev/mydev

四、自动创建设备节点 ​

推荐使用自动创建设备节点的方法。只需在驱动代码里调用内核提供的 class_create 和 device_create 函数，就能让内核自动在 /dev/ 下生成设备文件，并配合 udev 正确识别。

例子（与驱动注册部分配合）：

c
struct class *cls;
cls = class_create(THIS_MODULE, "myclass");
device_create(cls, NULL, devno, NULL, "mydev");

这样会自动生成 /dev/mydev。

卸载驱动时记得清理：

c
device_destroy(cls, devno);
class_destroy(cls);

五、创建设备节点实验 ​

1、源码编写 ​

写一个简单的字符设备驱动，它在加载时自动创建设备节点 /dev/mydev。

首先我们创建一个 04_mk_device_node/ 目录，并在其中创建一个 mydev_mk.c 源码文件，编写下面的驱动：

c
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>

static dev_t devno;
static struct cdev my_cdev;
static struct class *my_class;

// 设备操作函数
static int mydev_open(struct inode *inode, struct file *file) { return 0; }
static int mydev_release(struct inode *inode, struct file *file) { return 0; }

static struct file_operations mydev_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = mydev_open,
    .release = mydev_release,
};

static int __init mydev_init(void)
{
    int ret;
    // 自动分配设备号
    ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "mydev");
    if (ret < 0) return ret;

    // 注册cdev
    cdev_init(&my_cdev, &mydev_fops);
    cdev_add(&my_cdev, devno, 1);

    // 创建设备类和设备节点
    my_class = class_create(THIS_MODULE, "myclass");
    device_create(my_class, NULL, devno, NULL, "mydev");

    printk("mydev driver installed!\n");
    return 0;
}

static void __exit mydev_exit(void)
{
    device_destroy(my_class, devno);
    class_destroy(my_class);
    cdev_del(&my_cdev);
    unregister_chrdev_region(devno, 1);
    printk("mydev driver removed!\n");
}

module_init(mydev_init);
module_exit(mydev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

2、源码解析 ​

mydev_open 和 mydev_release 是 file_operations 必要参数：

  • open 是当你用 open("/dev/mydev") 这样的系统调用访问设备文件时，内核会自动调用这里定义的 mydev_open 函数。通常可以在这里做一些初始化工作，比如参数检查、分配缓冲区等。本例因为没有真正的实体设备，仅仅演示，所以直接 return 0; 即可。
  • release是当你关闭设备文件或程序退出时，内核会自动调用 mydev_release，进行清理和释放工作。这里同样只返回0，表示没有特殊操作。

alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "mydev");：自动分配设备号

  • devno：用于保存主设备号和次设备号（实际上是一个合成的 dev_t 类型值）。
  • 0：代表次设备号的起始编号为 0。
  • 1：代表一共需要多少连续的设备编号。这里为1，只分配了一个编号。
  • "mydev"：给该设备号分配一个名字标签，方便在 /proc/devices 等内核日志和调试信息中查看。

举例说明：

  • 只做一个 /dev/mydev 节点时，写 1 就可以。
  • 想做多个（如 /dev/mydev0、/dev/mydev1 等），可以写 0, 4，这样会依次分配四个次设备号，你可以实现一个“多设备实例”的驱动。

cdev_init 和 cdev_add：注册和关联 cdev 对象

  • **cdev_init(&my_cdev, &mydev_fops);** 创建并初始化一个字符设备对象 my_cdev，把它和我们定义的设备操作集合 mydev_fops 联系起来。这样内核就知道打开这个设备文件时，该怎么调用你的驱动代码。
  • **cdev_add(&my_cdev, devno, 1);** 告诉内核：“我要注册 my_cdev 这个字符设备，设备号是 devno（一般就是 alloc 分配到的主+次号），设备数量是 1。” 成功后，内核对这个主/次设备号范围的用户请求（比如 open/read/write）都会转给你这个驱动来处理。

class_create 和 device_create ：自动生成设备文件节点

  • **class_create(THIS_MODULE, "myclass")** 在 /sys/class/ 目录下创建一个名字为 myclass 的类别。它不仅为用户空间的 udev 管理机制提供识别信息，还会让用户在 /sys/class/myclass/ 看到相关节点，是驱动和系统自动化管理的桥梁。
  • **device_create(my_class, NULL, devno, NULL, "mydev")** 通过前面分配到的设备号 devno，在 /dev/ 下自动创建名为 /dev/mydev 的设备文件节点。 这样，普通用户和应用程序就可以用标准的文件操作访问硬件设备，不用再手动 mknod 创建节点。

卸载流程：

  • device_destroy：删除 /dev/mydev 节点。
  • class_destroy：注销设备类，删除 /sys/class/myclass/ 目录。
  • cdev_del：注销字符设备对象。
  • unregister_chrdev_region：注销之前分配的设备号。

正确释放资源是驱动开发的基本功，否则内核重载驱动、系统长期运行时容易产生“脏”环境甚至崩溃。

3、Makefile编写 ​

我们在 04_mk_device_node/ 文件夹下创建一个 Makefile 文件，并在其中编写以下代码：

makefile
export ARCH=arm64

# 交叉编译器绝对路径前缀
export CROSS_COMPILE=/home/lckfb/TaishanPi-3-Linux/prebuilts/gcc/linux-x86/aarch64/gcc-arm-10.3-2021.07-x86_64-aarch64-none-linux-gnu/bin/aarch64-none-linux-gnu-

# 和源文件名一致
obj-m += mydev_mk.o

# 内核源码目录
KDIR := /home/lckfb/TaishanPi-3-Linux/kernel-6.1
PWD ?= $(shell pwd)

all:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

4、Makefile讲解 ​

看到这里，大家应该就比较熟悉了，和之前编写第一个驱动程序章节的Makefile几乎一摸一样！

这不过这里变为了 mydev_mk.o

  • CROSS_COMPILE：依旧是SDK中的编译器路径前缀。
  • KDIR：依旧是内核源码目录。

5、编译 ​

INFO

特别注意：我们编译内核驱动模块之前，一定要确保 kernel 已经被编译过了，因为编译内核模块的依赖文件有些需要在编译内核后生成。

如何编译内核：参考 Debian12编译内核

进入 04_mk_device_node/ 运行：

bash
make

看到目录中生成了 mydev_mk.ko 就说明编译成功了：

六、驱动测试 ​

将 mydev_mk.ko 复制到我们的开发板中（ u盘 还是 SSH 都可以，前面有讲解如何传输文件），使用下面的命令挂载驱动：

bash
sudo insmod mydev_mk.ko

然后我们使用 dmesg | grep -E 'mydev' 查看日志，寻找所有和 mydev 字样相关的日志，我们看到有相关日志，这个是我们在驱动中自己编写的 mydev driver installed! 语句，所以挂载成功了。

接下来我们使用 ls -l /dev/mydev 命令查看自动生成的设备文件：

这时我们看到 /dev/mydev 出现了，自动给我们分配的设备号为 511, 0 。

接下来我们使用下面的命令卸载掉，我们已经挂载的 mydev_mk 驱动，看看会发生什么：

bash
sudo rmmod mydev_mk

日志显示我们已经卸载成功了，接下来我们查看下，之前的 /dev/mydev 文件是否还存在：

bash
ls -l /dev/mydev

我们发现，此文件已经不存在了，也就是说驱动卸载的时候设备节点也被一同干掉了，我们在驱动卸载函数里面进行了一系列的操作：

  1. 删除设备节点
  2. 删除设备类
  3. 注销cdev
  4. 释放设备号

所以我们驱动退出之后，资源被回收的干干净净的。

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