Linux 字元裝置驅動開發基礎：從檔案操作介面到完整程式範本

字元裝置驅動是 Linux 驅動開發的入門基礎。本文系統介紹裝置驅動角色、字元/區塊裝置差異、裝置檔案與主/次裝置號、file_operations 統一 I/O 介面，並提供完整的三個檔案範本（test.h、test.c、ledtest.c）實作 LED 控制驅動與用戶測試程式。

一、核心概念

• 裝置驅動：核心與硬體間介面，為應用層屏蔽硬體細節
• 字元裝置：位元組流、循序存取、通常無緩衝（如序列埠、LCD、鍵盤）
• 區塊裝置：固定大小區塊、隨機存取、有緩衝（如硬碟）
• 裝置檔案：/dev/xxx，應用程式以檔案操作存取硬體
• 主/次裝置號：主號區分裝置類型，次號區分同類多裝置

二、file_operations 統一介面

struct file_operations {
    struct module *owner;
    loff_t (*llseek)(struct file *, loff_t, int);
    ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    int (*ioctl)(struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
    int (*open)(struct inode *, struct file *);
    int (*release)(struct inode *, struct file *);
    // ... 其他操作
};

不同檔案類型實作不同 file_operations，應用程式統一呼叫 open/read/write/ioctl/close，VFS 自動分派至對應驅動。

三、驅動生命週期與應用程式互動

1. 系統載入驅動（insmod）
2. 應用程式 open() → 驅動 open()
3. 應用程式 ioctl()/read()/write() → 驅動對應函數
4. 應用程式 close() → 驅動 release()
5. 系統卸載驅動（rmmod）

四、完整程式範本

1. test.h — 共用標頭

#ifndef __CONFIG_H
#define __CONFIG_H

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define LED_MAJOR_NR 231
#define DEVICE_NAME "led"
#define SET_LED_OFF 0
#define SET_LED_ON  1

#endif

2. test.c — 核心模組驅動

#include "test.h"

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) {
    // 初始化硬體、模組計數器+1
    MOD_INC_USE_COUNT;
    return 0;
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp) {
    // 清理硬體、模組計數器-1
    MOD_DEC_USE_COUNT;
    return 0;
}

static int led_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp,
                     unsigned int cmd, unsigned long arg) {
    switch (cmd) {
        case SET_LED_ON:
            // 寫入暫存器點亮 LED
            break;
        case SET_LED_OFF:
            // 寫入暫存器熄滅 LED
            break;
        default:
            return -EINVAL;
    }
    return 0;
}

static struct file_operations led_fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = led_open,
    .release = led_release,
    .ioctl   = led_ioctl,
};

int init_module(void) {
    int result = register_chrdev(LED_MAJOR_NR, DEVICE_NAME, &led_fops);
    if (result < 0) return result;
    printk("LED driver loaded\n");
    return 0;
}

void cleanup_module(void) {
    unregister_chrdev(LED_MAJOR_NR, DEVICE_NAME);
    printk("LED driver unloaded\n");
}

3. ledtest.c — 用戶空間測試程式

#include 
#include 
#include 
#include "test.h"

int main() {
    int fd = open("/dev/led", O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open /dev/led");
        return 1;
    }

    printf("Turn ON LED\n");
    ioctl(fd, SET_LED_ON, 0);
    sleep(2);

    printf("Turn OFF LED\n");
    ioctl(fd, SET_LED_OFF, 0);

    close(fd);
    return 0;
}

編譯：gcc ledtest.c -o ledtest，執行前需 mknod /dev/led c 231 0 建立裝置節點。

五、關鍵點提醒

• 核心空間用 printk，用戶空間用 printf
• 用戶緩衝區存取必須用 copy_to_user/copy_from_user
• 暫存器操作參考具體晶片資料手冊（如 S3C44B0）
• 2.6 核心模組計數器改用 try_module_get()/module_put()