writing-char-drivers

编写字符设备驱动

目的

指导 Agent 实现 Linux 字符设备：struct file_operations、cdev 注册、安全的用户空间数据拷贝、ioctl 设计和基础 mmap——提供超出 skills/kernel/device-drivers 的深入内容。

适用场景

• 将硬件暴露为 /dev/mydev
• 在内核中实现 read/write/poll
• 使用类型安全的宏定义 ioctl 命令
• 将设备 MMIO 映射到用户空间（需谨慎）

工作流

1. 字符设备注册

#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>

#define MY_MAJOR 0   /* 0 = dynamic alloc */
#define MY_MINOR 0

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

static const struct file_operations my_fops = {
    .owner          = THIS_MODULE,
    .open           = my_open,
    .release        = my_release,
    .read           = my_read,
    .write          = my_write,
    .unlocked_ioctl = my_ioctl,
    .llseek         = no_llseek,
};

static int __init my_init(void)
{
    int ret = alloc_chrdev_region(&devno, MY_MINOR, 1, "mydev");
    if (ret)
        return ret;

    cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
    ret = cdev_add(&my_cdev, devno, 1);
    if (ret)
        goto err_cdev;

    class = class_create("mydev");
    device_create(class, NULL, devno, NULL, "mydev");
    return 0;

err_cdev:
    unregister_chrdev_region(devno, 1);
    return ret;
}

现代驱动通常会在 probe 中使用 devm_* 变体。

2. 安全的用户空间 I/O

static ssize_t my_read(struct file *filp, char __user *buf,
                       size_t count, loff_t *ppos)
{
    char kbuf[128];
    ssize_t len;

    if (*ppos >= sizeof(kbuf))
        return 0;
    len = min(count, sizeof(kbuf) - *ppos);
    memcpy(kbuf, "data", 4);
    if (copy_to_user(buf, kbuf + *ppos, len))
        return -EFAULT;
    *ppos += len;
    return len;
}

切勿直接解引用 __user 指针。

3. ioctl 模式

#include <linux/ioctl.h>

#define MY_IOC_MAGIC 'k'
#define MY_IOC_RESET  _IO(MY_IOC_MAGIC, 0)
#define MY_IOC_SET    _IOW(MY_IOC_MAGIC, 1, int)

static long my_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    switch (cmd) {
    case MY_IOC_RESET:
        return 0;
    case MY_IOC_SET: {
        int val;
        if (copy_from_user(&val, (void __user *)arg, sizeof(val)))
            return -EFAULT;
        return 0;
    }
    default:
        return -ENOTTY;
    }
}

使用 _IOWR 和固定大小的结构体；在双架构环境中优先使用 compat_ioctl。

4. mmap（设备内存）

static int my_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
    unsigned long size = vma->vm_end - vma->vm_start;
    phys_addr_t phys = device_phys_base;

    vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);
    return remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, phys >> PAGE_SHIFT,
                           size, vma->vm_page_prot);
}

只有在明确限制大小并进行权限检查后，才使用 mmap 映射 DMA 缓冲区。

5. poll / 异步 I/O

实现 poll 和 wake_up_interruptible 以支持阻塞读取；使用 fasync_helper 处理 SIGIO。

6. Agent 使用

/writing-char-drivers Add unlocked_ioctl SET_SPEED to existing platform driver

常见问题

现象	原因	修复方法
-EFAULT	用户指针无效	验证 access_ok（旧版方式）/ 使用 copy_*
ENOTTY	ioctl 魔数错误	与用户空间的 ioctl.h 保持一致
主设备号冲突	静态主设备号已被占用	使用 alloc_chrdev_region
mmap 触发 SIGSEGV	设备映射采用了缓存	使用 pgprot_noncached
ioctl 中休眠	持有自旋锁	阻塞前释放锁

相关技能

• skills/kernel-dev/platform-device-model — probe 上下文
• skills/kernel/device-drivers — 完整的驱动生命周期
• skills/kernel/kernel-concurrency — 文件操作中的锁
• skills/kernel-dev/kernel-debugging-advanced — 跟踪 ioctl 路径
• skills/low-level-programming/linux-kernel-modules — 模块样板代码