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驱动开发硬核特训 · Day 19：字符设备驱动实战（控制 LED）

news 2025/5/17 14:01:45

视频教程请关注 B 站：“嵌入式Jerry”

一、背景引入：字符设备 + 实际硬件控制

在 Linux 驱动开发中，字符设备（Character Device）是一类通过 read / write 接口与用户空间进行数据交互的基本设备类型。今天我们将结合 i.MX8MP EVK 开发板的 gpio-leds 节点，构造一个简单、直观的字符设备驱动，实现对物理 LED 的开关控制。

这一过程不仅涉及字符设备驱动的基础流程，还能帮助我们理解设备树与实际硬件的结合方式。
在这里插入图片描述

二、设备树分析：找到目标 GPIO

开发板设备树 arch/arm64/boot/dts/freescale/imx8mp-evk.dts 中，预定义了一个 GPIO 控制的 LED 节点：

gpio-leds {compatible = "gpio-leds";pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_gpio_led>;status {label = "yellow:status";gpios = <&gpio3 16 GPIO_ACTIVE_HIGH>;default-state = "on";};
};

这段节点中定义了一个黄色 LED，使用 gpio3_16 进行控制。GPIO 的编号计算方式为：

GPIO 编号 = bank × 32 + offset = 3 × 32 + 16 = 112

我们将在驱动中直接控制该 GPIO（编号 112）进行点亮和熄灭。

三、字符设备驱动实现

我们不再依赖 gpio-leds 子系统，而是直接注册一个字符设备，通过 echo 1 > /dev/ledchar 控制物理 LED 点亮，echo 0 熄灭。

3.1 驱动代码

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>#define GPIO_LED_NUM 112  // gpio3_16 -> 3*32 + 16static dev_t devt;
static struct cdev cdev;
static struct class *led_class;static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t len, loff_t *off)
{char kbuf[4];if (copy_from_user(kbuf, buf, len)) // 从用户空间拷贝数据到内核return -EFAULT;gpio_set_value(GPIO_LED_NUM, kbuf[0] == '1' ? 1 : 0); // 设置 GPIO 电平return len;
}static struct file_operations led_fops = {.owner = THIS_MODULE,.write = led_write,  // 用户空间 write 映射此函数
};static int __init led_dev_init(void)
{gpio_request(GPIO_LED_NUM, "led_gpio");             // 请求 GPIO 控制权gpio_direction_output(GPIO_LED_NUM, 1);             // 设置为输出方向，初始高电平alloc_chrdev_region(&devt, 0, 1, "led_char");        // 分配设备号cdev_init(&cdev, &led_fops);                         // 初始化字符设备结构cdev_add(&cdev, devt, 1);                            // 注册字符设备led_class = class_create(THIS_MODULE, "led_class");  // 创建 sysfs 类device_create(led_class, NULL, devt, NULL, "ledchar"); // 创建设备节点 /dev/ledcharpr_info("ledchar device init done\n");return 0;
}static void __exit led_dev_exit(void)
{gpio_set_value(GPIO_LED_NUM, 0);                     // 卸载前熄灭 LEDgpio_free(GPIO_LED_NUM);                             // 释放 GPIOdevice_destroy(led_class, devt);class_destroy(led_class);cdev_del(&cdev);unregister_chrdev_region(devt, 1);
}module_init(led_dev_init);
module_exit(led_dev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("嵌入式Jerry");

3.2 编译说明

使用 Makefile 编译为模块：

obj-m += ledchar.oall:make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) modules
clean:make -C /lib/modules/$(shell uname -r)/build M=$(PWD) clean

加载模块：

insmod ledchar.ko

控制 LED：

echo 1 > /dev/ledchar   # 点亮 LED
echo 0 > /dev/ledchar   # 熄灭 LED

四、字符设备和设备树的关联解读

❗ 重点：我们没有直接解析设备树节点，而是“硬编码”了 GPIO 号 112。

这是一种“直接控制硬件资源”的方式，适用于教学或特定场景，但不具备移植性和灵活性。在生产环境中，我们推荐：

使用 of_find_node_by_name 等接口动态获取设备树中的 gpio；
或者用 platform_driver 的形式自动注册字符设备，配合 of_device_id 匹配设备树。

五、字符设备与设备模型的区别与融合

项目	字符设备	设备模型
本质	文件操作接口	系统框架结构
接口表现	file_operations (read/write 等)	device、driver、bus 等结构体
功能侧重	面向用户空间的数据操作	面向系统资源管理与驱动匹配
是否依赖	可独立存在	统一纳入 driver model 框架更佳

字符设备是数据访问的“通道”，而设备模型是驱动统一管理的“系统总线”。两者并不冲突，在现代驱动开发中，常常将字符设备纳入设备模型管理之中。

六、实战拓展建议

下一步建议学习内容：
- 如何通过 platform_driver 注册字符设备；
- 如何用 device_create_file() 添加 sysfs 接口；
- 将 GPIO 控制“封装成子系统”接口（如 LED 子系统）；
推荐实战目标：
- 为一个温度传感器或输入按键编写字符驱动；
- 理解 udev 如何自动创建设备节点；
- 进一步结合设备树进行设备节点注册。