字符設備驅動是Linux內核中直接管理字節流設備(如串口、鍵盤)的核心模塊，其核心框架圍繞file_operations結構體展開。該結構體定義了用戶空間系統調用(如read、write)與底層硬件操作的映射關系，是驅動開發的基石。
1. file_operations結構體解析
struct file_operations {
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：mmap, poll, fsync等
};
核心函數指針：
read/write：實現設備數據讀寫，需通過copy_to_user()/copy_from_user()完成用戶-內核空間數據交換。
open/release：設備打開/關閉時初始化或釋放資源(如分配緩沖區、配置硬件寄存器)。
unlocked_ioctl：處理自定義控制命令(如設置波特率)，替代舊版ioctl以規避大內核鎖問題。
2. 驅動注冊與設備管理
設備號分配：
dev_t dev_id = MKDEV(MAJOR_NUM, MINOR_NUM); // 主設備號+次設備號
alloc_chrdev_region(&dev_id, 0, 1, "my_char_dev"); // 動態分配設備號
注冊字符設備：
struct cdev my_cdev;
cdev_init(&my_cdev, &my_fops); // 綁定file_operations
cdev_add(&my_cdev, dev_id, 1); // 添加到系統
創建設備節點：
mknod /dev/mydevice c 250 0 # 手動創建設備文件
或通過class_create()和device_create()自動生成/dev節點。
3. 關鍵實現細節
并發控制：使用spin_lock或mutex保護共享資源(如全局緩沖區)，避免競態條件。
阻塞與非阻塞I/O：通過poll函數實現事件等待隊列，支持select/epoll異步通知。
內存映射：mmap函數將設備內存映射到用戶空間，加速大數據傳輸(如幀緩沖區)。
4. 調試與錯誤處理
利用printk輸出調試信息(KERN_DEBUG級別)。
錯誤碼規范：返回-EINVAL(參數無效)、-ENOMEM(內存不足)等標準錯誤。
資源釋放：在release函數中反向釋放open中分配的資源，防止內存泄漏。
總結
字符設備驅動的核心是通過file_operations橋接用戶與硬件：
接口層：實現read/write等函數響應系統調用，需嚴格處理用戶-內核數據邊界;
注冊層：動態分配設備號并綁定操作集，通過cdev和sysfs完成設備生命周期管理;
優化層：引入鎖機制保障并發安全，支持mmap提升性能，適配阻塞/非阻塞模式。
開發時需遵循**“初始化-操作-釋放”** 的閉環邏輯，結合內核調試工具定位問題。未來趨勢正朝統一設備模型(Unified Device Model) 演進，強化驅動與設備樹的協同能力。