Linux 设备分类详解：字符设备、块设备与网络设备解析
引言
在嵌入式 Linux 领域，设备驱动程序是操作系统与硬件之间的桥梁。Linux 设备按照不同的访问方式和特性可以划分为字符设备、块设备和网络设备。理解它们的分类及特性，对于开发 Linux 设备驱动和操作底层硬件至关重要。本文将深入解析这三大类设备的特点、访问方式及其在 Linux 内核中的实现方式。
1. Linux 设备的分类
Linux 设备根据数据的读写方式和访问特性，主要可以分为以下三类：
- 字符设备（Character Device）
- 块设备（Block Device）
- 网络设备（Network Device）
这些设备分别对应不同的驱动模型和访问方式，下面分别进行详细分析。
2. 字符设备（Character Device）
2.1 概述
字符设备是一种 按字节流方式 访问的设备，数据是 线性顺序 读写的，没有统一的缓存管理机制。例如，串口（UART）、I²C 设备、GPIO、键盘、显示器等，都属于字符设备。
2.2 访问方式
字符设备通常通过文件操作接口（open、read、write、ioctl 等）进行访问。典型的访问方式如下：
c
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int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);
write(fd, "Hello", 5);
read(fd, buffer, sizeof(buffer));
close(fd);
2.3 驱动实现
字符设备驱动在 Linux 内核中通常使用 cdev 结构体进行管理。一个基本的字符设备驱动框架如下：
c
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static struct cdev my_cdev;
static dev_t dev_num;
static struct file_operations my_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.read = my_read,
.write = my_write,
.open = my_open,
.release = my_release,
};
static int __init my_driver_init(void) {
alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "my_device");
cdev_init(&my_cdev, &my_fops);
cdev_add(&my_cdev, dev_num, 1);
return 0;
}
static void __exit my_driver_exit(void) {
cdev_del(&my_cdev);
unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
}
module_init(my_driver_init);
module_exit(my_driver_exit);
3. 块设备（Block Device）
3.1 概述
块设备是一种 以块（block）为单位 进行存取的设备，通常具有 缓冲区（Buffer）或者缓存（Cache） 机制，支持随机访问。典型的块设备包括 硬盘（HDD/SSD）、SD 卡、U 盘、eMMC 等。
3.2 访问方式
块设备通常通过文件系统进行访问，用户可以使用 open、read、write 进行文件操作，或者通过 dd 命令直接访问设备。例如：
sh
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dd if=/dev/sda of=backup.img bs=1M count=100
3.3 驱动实现
块设备驱动通常基于 request_queue 进行数据调度，基本的块设备驱动框架如下：
c
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static struct request_queue *my_queue;
static struct gendisk *my_disk;
static void my_request_fn(struct request_queue *q) {
struct request *req;
while ((req = blk_fetch_request(q)) != NULL) {
// 处理请求
__blk_end_request_all(req, 0);
}
}
static int __init my_block_driver_init(void) {
my_queue = blk_init_queue(my_request_fn, NULL);
my_disk = alloc_disk(1);
my_disk->queue = my_queue;
snprintf(my_disk->disk_name, 32, "my_block");
add_disk(my_disk);
return 0;
}
static void __exit my_block_driver_exit(void) {
del_gendisk(my_disk);
put_disk(my_disk);
blk_cleanup_queue(my_queue);
}
module_init(my_block_driver_init);
module_exit(my_block_driver_exit);
4. 网络设备（Network Device）
4.1 概述
网络设备用于数据包（Packet）的收发，而不是以字节或块为单位进行访问。典型的网络设备包括 以太网网卡（Ethernet）、Wi-Fi 模块、LoRa、蓝牙（Bluetooth）等。
4.2 访问方式
网络设备通常不会通过 /dev 文件访问，而是通过 socket（套接字） 进行通信。例如，使用 socket 编程来创建 TCP 连接：
c
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int sock = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
connect(sock, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));
send(sock, "Hello", 5, 0);
recv(sock, buffer, sizeof(buffer), 0);
close(sock);
4.3 驱动实现
网络设备驱动基于 net_device 结构体，并使用 netif_rx() 处理接收数据包。基本的网络设备驱动框架如下：
c
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static struct net_device *my_netdev;
static int my_net_open(struct net_device *dev) {
netif_start_queue(dev);
return 0;
}
static int my_net_stop(struct net_device *dev) {
netif_stop_queue(dev);
return 0;
}
static netdev_tx_t my_net_xmit(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev) {
dev_kfree_skb(skb);
return NETDEV_TX_OK;
}
static struct net_device_ops my_netdev_ops = {
.ndo_open = my_net_open,
.ndo_stop = my_net_stop,
.ndo_start_xmit = my_net_xmit,
};
static int __init my_net_driver_init(void) {
my_netdev = alloc_netdev(0, "mynet%d", NET_NAME_UNKNOWN, ether_setup);
my_netdev->netdev_ops = &my_netdev_ops;
register_netdev(my_netdev);
return 0;
}
static void __exit my_net_driver_exit(void) {
unregister_netdev(my_netdev);
free_netdev(my_netdev);
}
module_init(my_net_driver_init);
module_exit(my_net_driver_exit);
5. 设备号与 /dev 目录
Linux 通过 主设备号（Major Number） 和 次设备号（Minor Number） 标识设备。主设备号标识设备类型，次设备号标识具体的设备实例。例如：
sh
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ls -l /dev/
crw-rw---- 1 root dialout 4, 64 /dev/ttyS0 # 字符设备
brw-rw---- 1 root disk 8, 0 /dev/sda # 块设备
设备号的分配可通过 mknod 命令手动创建：
sh
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mknod /dev/my_device c 240 0 # 创建字符设备
mknod /dev/my_block b 241 0 # 创建块设备
总结
本文详细介绍了 Linux 设备的三大类别——字符设备、块设备和网络设备，并解析了它们的访问方式、驱动模型和 Linux 内核中的实现方式。在嵌入式 Linux 开发中，理解设备分类及其驱动原理是开发高性能、稳定的系统的基础。希望本文能为你的 Linux 设备驱动开发提供有价值的参考！