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Modern Embedded Recipes · 81/152

캐릭터 드라이버 작성 — file_operations·cdev·register_chrdev

· Hawk · 4분 읽기

#한 줄 요약

“Character driver = file_operations 한 구조체.” open, read, write, ioctl 함수 포인터를 채우고 cdev_add로 등록하면 /dev/foo가 살아납니다.

#어떤 상황에서 쓰나

새 sensor, 외부 FPGA, 사용자 공간에 raw bus 접근을 노출해야 하는 device를 직접 만들 때 character driver가 가장 단순한 출발점입니다. Block device (block layer가 답)나 network device (net core가 답)가 아닌 모든 device가 일반적으로 char로 시작합니다.

또 한 가지 흔한 상황은 정형 framework가 무거울 때입니다. IIO나 input subsystem 같은 표준은 강력하지만 prototype 단계에서는 overhead가 있습니다. char driver로 빠르게 ioctl 한두 개를 노출해 동작을 검증한 후 표준 subsystem으로 옮기는 흐름이 흔합니다.

#핵심 개념

요소역할
major / minor/dev node를 driver에 매핑하는 번호
cdevkernel 내부 char device 객체
file_operationssyscall과 driver 함수의 mapping 표
class / device/sys/class/foo//dev/foo 자동 생성

가장 단순한 골격입니다.

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

이 표가 있고 cdev로 등록하면 user 공간이 /dev/foo로 접근하는 모든 system call이 위 함수들로 dispatch됩니다.

#코드 / 실제 사용 예

#최소 char driver

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/device.h>
#define DEV_NAME "mychar"
static dev_t devno;
static struct cdev mycdev;
static struct class *mycls;
static ssize_t my_read(struct file *f, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *off) {
const char msg[] = "hello\n";
size_t len = strlen(msg);
if (*off >= len) return 0;
if (cnt > len - *off) cnt = len - *off;
if (copy_to_user(buf, msg + *off, cnt)) return -EFAULT;
*off += cnt;
return cnt;
}
static struct file_operations fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.read = my_read,
};
static int __init mod_init(void) {
alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, DEV_NAME);
cdev_init(&mycdev, &fops);
mycdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_add(&mycdev, devno, 1);
mycls = class_create("mychar");
device_create(mycls, NULL, devno, NULL, DEV_NAME);
return 0;
}
static void __exit mod_exit(void) {
device_destroy(mycls, devno);
class_destroy(mycls);
cdev_del(&mycdev);
unregister_chrdev_region(devno, 1);
}
module_init(mod_init);
module_exit(mod_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

alloc_chrdev_region이 major+minor를 동적으로 받아오고, device_create가 udev에게 /dev/mychar를 만들어달라고 신호합니다.

#copy_to_user, copy_from_user

static ssize_t my_write(struct file *f, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *off) {
char kbuf[64];
if (cnt > sizeof(kbuf)) cnt = sizeof(kbuf);
if (copy_from_user(kbuf, buf, cnt))
return -EFAULT;
process(kbuf, cnt);
return cnt;
}

User 공간 pointer를 kernel에서 직접 dereference하면 page fault나 보안 문제가 발생합니다. 반드시 copy_to_usercopy_from_user로 통과시킵니다.

#ioctl 정의

#define MYDEV_IOC_MAGIC 'k'
#define MYDEV_GET_VAL _IOR(MYDEV_IOC_MAGIC, 1, int)
#define MYDEV_SET_VAL _IOW(MYDEV_IOC_MAGIC, 2, int)
static long my_ioctl(struct file *f, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
int val;
switch (cmd) {
case MYDEV_GET_VAL:
val = current_value();
if (copy_to_user((int __user *)arg, &val, sizeof(val))) return -EFAULT;
break;
case MYDEV_SET_VAL:
if (copy_from_user(&val, (int __user *)arg, sizeof(val))) return -EFAULT;
set_value(val);
break;
default:
return -ENOTTY;
}
return 0;
}

_IOR, _IOW, _IOWR 매크로가 cmd 번호 encoding을 자동으로 해줍니다. user 공간 header에 같은 매크로를 두면 양쪽이 일치합니다.

#Blocking read with wait queue

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(rq);
static int data_ready;
static ssize_t my_read(struct file *f, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *off) {
if (wait_event_interruptible(rq, data_ready))
return -ERESTARTSYS;
data_ready = 0;
return copy_data(buf, cnt);
}
static irqreturn_t my_isr(int irq, void *dev) {
data_ready = 1;
wake_up_interruptible(&rq);
return IRQ_HANDLED;
}

ISR이 wake_up_interruptible로 read를 깨우는 표준 패턴입니다. user 공간은 그냥 read를 부르면 데이터가 올 때까지 sleep합니다.

#poll 지원

static __poll_t my_poll(struct file *f, poll_table *wait) {
poll_wait(f, &rq, wait);
return data_ready ? (EPOLLIN | EPOLLRDNORM) : 0;
}
static struct file_operations fops = {
...
.poll = my_poll,
};

select/poll/epoll을 지원하려면 .poll을 채웁니다. user 공간이 여러 fd를 동시에 기다릴 수 있게 됩니다.

#Misc device — 단축 경로

#include <linux/miscdevice.h>
static struct miscdevice my_misc = {
.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
.name = "mychar",
.fops = &fops,
};
static int __init init(void) { return misc_register(&my_misc); }
static void __exit exit(void) { misc_deregister(&my_misc); }

misc device는 cdev, class, device_create를 한 번에 처리해줍니다. minor 번호 한 개만 필요한 작은 driver는 misc로 충분합니다.

#Multiple minor

static int my_open(struct inode *ino, struct file *f) {
int idx = iminor(ino);
f->private_data = &my_instances[idx];
return 0;
}

한 driver가 여러 device를 처리할 때 minor 번호로 구분합니다. file->private_data에 instance pointer를 저장해 다음 호출에서 사용합니다.

#측정 / 성능 비교

연산 시간 (x86_64)
syscall (open/close) ~600 ns
read (1 byte from char driver) ~700 ns
copy_to_user (1 KB) ~400 ns
ioctl ~500 ns
mmap → user 직접 접근 initial 1 µs, 이후 0

대용량 데이터는 read/write보다 mmap이 거의 항상 더 빠릅니다. Char driver의 read/write는 작은 메시지나 control용입니다.

RAM 사용량
char driver (cdev) ~64 B per device
misc device ~96 B (cdev 내장)
class + device entry ~수백 B (udev attribute 포함)

#자주 보는 함정

copy_to_user 빼고 직접 access

static ssize_t my_read(... char __user *buf, ...) {
buf[0] = 'h'; /* kernel oops 또는 보안 사고 */
}

__user annotation이 붙은 pointer는 절대 직접 dereference하지 않습니다. sparse가 잡아주니 make C=2로 build해 확인합니다.

Error path에서 cleanup 누락

cdev_add(&c, ...);
if (oh_no) return -ENOMEM; /* unregister_chrdev_region 누락 */

부분 등록 후 error path에서 unwind를 빠뜨리면 module reload가 충돌합니다. goto 라벨 패턴으로 cleanup을 일원화합니다.

Concurrency 미고려

static int g_counter;
static ssize_t my_write(...) { g_counter++; } /* race */

여러 user가 동시에 driver를 열 수 있습니다. atomic_inc 또는 mutex로 보호합니다.

Large stack 변수

static ssize_t my_write(...) {
char buf[8192]; /* 8 KB on kernel stack — overflow */
}

Kernel stack은 보통 16 KB입니다. 큰 buffer는 kmalloc이나 vmalloc을 씁니다.

Major/minor 충돌

register_chrdev(123, ...); /* fixed major — 이미 사용 중일 수 있음 */

alloc_chrdev_region으로 동적 할당하는 편이 안전합니다. fixed major는 정말 합리적인 이유가 있을 때만 씁니다.

#정리

  • Character driver의 본질은 file_operations 함수 포인터 표 한 개입니다.
  • User pointer는 반드시 copy_to_usercopy_from_user를 거칩니다.
  • ioctl 번호는 _IOR, _IOW, _IOWR 매크로로 정의합니다.
  • Blocking read는 wait queue + wake_up 조합으로 구현합니다.
  • 작은 driver는 misc device 한 줄 등록이 가장 간단합니다.
  • Error path에서 goto 패턴으로 cleanup을 일원화합니다.
  • 대용량 데이터에는 read/write보다 mmap이 더 적합합니다.

다음 편은 Platform 드라이버입니다. DT match와 probe/remove 흐름을 다룹니다.

#관련 항목

Modern Embedded Recipes · 82 of 152

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  76. 76임베디드 Linux 부팅 흐름 분석 — BootROM·U-Boot·Kernel·init
  77. 77U-Boot 활용 — bootcmd·env·tftp·boot.scr 분석
  78. 78Device Tree 실전 — DTS·DTB·Overlay·Phandle 추적
  79. 79Device Tree Overlay 적용 — Runtime fragment·dtoverlay
  80. 80임베디드 커널 빌드 — defconfig·menuconfig·Image·zImage
  81. 81커널 모듈 기초 — init/exit·Parameter·KBuild·DKMS
  82. 82캐릭터 드라이버 작성 — file_operations·cdev·register_chrdev
  83. 83Platform 드라이버 작성 — probe·remove·of_match·DT 바인딩
  84. 84mmap 4가지 모드 — Anonymous·File·Shared·Huge Page
  85. 85epoll 실전 — LT·ET·ONESHOT·EXCLUSIVE 비교
  86. 86UIO·VFIO 분석 — User-Space Driver와 IOMMU 격리
  87. 87sysfs·configfs 활용 — kobject 기반 User 인터페이스
  88. 88IRQ Affinity 튜닝 — smp_affinity·isolcpus·irqbalance
  89. 89루트 파일시스템 구축 — Buildroot 기초·Package·Toolchain
  90. 90임베디드 동적 메모리 — malloc 위험·결정성·대안 분석
  91. 91메모리 정렬과 패딩 분석 — Natural·Strict Alignment·Trap
  92. 92Cache Line Alignment — alignas·Padding·SoA 적용
  93. 93DMA-Friendly Allocator — dma_alloc_coherent·IOMMU·Pool
  94. 94Zero-Copy Pipeline — DMA-BUF·sendfile·io_uring·splice
  95. 95NUMA Memory Topology — numactl·numa_alloc·HBM 적용
  96. 96SIMD 활용 분석 — Intrinsics·Auto-Vectorization·OpenMP SIMD
  97. 97ARM NEON 심화 — Matrix Multiply·FFT·Image Filter 적용
  98. 98임베디드 스택 분석 — high-water·overflow 탐지
  99. 99임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
  100. 100임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
  101. 101WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
  102. 102Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
  103. 103Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
  104. 104RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
  105. 105Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
  106. 106Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
  107. 107Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
  108. 108Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
  109. 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
  110. 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
  111. 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
  112. 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
  113. 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
  114. 114GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
  115. 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
  127. 127AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
  128. 128Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
  129. 129Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
  130. 130Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
  131. 131DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
  132. 132PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
  133. 133Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
  134. 134HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
  135. 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
  146. 146Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
  147. 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
  150. 150PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
  151. 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
  152. 152Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX