02、图解字符驱动模块设计思路

一、图解字符驱动模块设计思路

• 用户空间调用
• VFS 层 (虚拟文件系统)
• 字符设备层
• 驱动程序实现

二、应用代码

用户程序通过标准的系统调用（如 open、read、write 等）与字符设备交互。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。

三、VFS 层 (虚拟文件系统)

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。

struct file_operations {
    .open = my_open,
    .read = my_read,
    .write = my_write,
    .release = my_close,
    // 其他操作
};

四、驱动程序实现

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应用程序通过执行open()系统调用打开字符设备文件节点后，内核首先解析设备节点的类型标识符（device type）与主设备号（major number）。随后，内核利用主设备号作为索引，定位到字符设备注册表（chrdevs数组）中对应的驱动注册槽位。该注册表作为Linux字符设备框架的核心数据结构，维护着所有已注册驱动的元信息。通过该槽位的索引值，系统可直接获取驱动在注册阶段通过register_chrdev()或alloc_chrdev_region()接口注册的file_operations（fops）函数指针结构体。该结构体封装了驱动程序实现的系统调用处理函数，包括read(), write(), ioctl()等关键IO操作的底层实现逻辑，这些函数直接映射到设备驱动的硬件交互层，构成用户空间进程与设备控制器间的核心通信接口。

此机制体现了Linux设备模型中"设备-驱动匹配"的核心设计原理：通过设备号空间到驱动注册表的映射关系，结合fops结构体的函数指针动态绑定，实现了用户空间IO请求到设备特定操作的抽象化转换与高效路由。

五、驱动流程

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• 主次设备号：dev_t类型变量设备号、MAJOR、MINOR
• 设备号的分配：alloc_chrdev_region
• 方法操作集：cdev_init、file_operations、cdev_add
• 节点的创建：class_create、device_create