캐릭터 드라이버 작성 — file_operations·cdev·register_chrdev
#한 줄 요약
“Character driver =
file_operations한 구조체.” open, read, write, ioctl 함수 포인터를 채우고cdev_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
| 요소 | 역할 |
|---|---|
| major / minor | /dev node를 driver에 매핑하는 번호 |
cdev | kernel 내부 char device 객체 |
file_operations | syscall과 driver 함수의 mapping 표 |
| class / device | /sys/class/foo/와 /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_user나 copy_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 nsread (1 byte from char driver) ~700 nscopy_to_user (1 KB) ~400 nsioctl ~500 nsmmap → user 직접 접근 initial 1 µs, 이후 0대용량 데이터는 read/write보다 mmap이 거의 항상 더 빠릅니다. Char driver의 read/write는 작은 메시지나 control용입니다.
RAM 사용량char driver (cdev) ~64 B per devicemisc device ~96 B (cdev 내장)class + device entry ~수백 B (udev attribute 포함)#자주 보는 함정
copy_to_user빼고 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_operations함수 포인터 표 한 개입니다. - User pointer는 반드시
copy_to_user나copy_from_user를 거칩니다. - ioctl 번호는
_IOR,_IOW,_IOWR매크로로 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.
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