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Linux 内核驱动开发中，很多人在接触字符设备（char device）、设备模型（device model）和各种子系统（subsystem）时，往往会感到概念混杂，边界模糊。本文将从 Linux 驱动体系架构的演化入手，结合 NXP 的 i.MX 8M Plus EVK 平台（下文简称 i.MX8MP-EVK），深入讲解这三者的关系、用途与实际代码的融合方式，帮助你彻底理解这些核心概念。

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一、历史与基础概念

1.1 字符设备（Character Device）

字符设备是 Linux 设备类型之一，另一种是块设备（Block Device）。字符设备以字节为单位进行读写，接口类似于普通文件，通过 read()、write()、ioctl() 等系统调用进行操作。

• 常见字符设备：串口（serial）、GPIO、I2C、PWM、Watchdog 等。
• 管理结构：主要由 struct file_operations 和 struct cdev 控制，最终通过 register_chrdev_region() 和 cdev_add() 注册到系统。

1.2 设备模型（Device Model）

Linux 为了实现设备与驱动的自动匹配、热插拔管理、sysfs 显示，设计了一套统一的设备模型架构，包括以下关键结构：

• struct device
• struct driver
• struct bus_type
• struct class

这套模型抽象了“设备是如何插到系统里的、驱动如何找到设备、如何在用户空间体现出设备结构”等问题。

设备模型的意义在于：“它是一种运行时的驱动与设备匹配与管理框架”。

1.3 子系统（Subsystem）

“子系统”是指内核中具有统一接口规范的功能模块，例如：

• I2C 子系统
• SPI 子系统
• PWM 子系统
• regulator 子系统
• input 子系统
• sound 子系统

每个子系统背后都有一个核心的框架代码，并暴露出标准接口（如 struct pwm_chip、struct i2c_driver 等），驱动开发者按照接口标准进行设备适配即可。

子系统的意义在于：“统一了设备驱动的行为规范和上层调用方式，是设备模型的具体实现与应用场景”。

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二、三者关系的准确理解

我们通过一个类比来帮助你理解三者关系：

类别	类比解释	实际作用
字符设备	老式收音机，直接接电可用	最基本的驱动编程方式
设备模型	家庭电网管理系统	让每台收音机能统一开关、统一命名、自动识别
子系统	不同的电台频道系统（如 FM/AM）	为收音机统一音频标准接口、设置方法等

正确理解：

• 设备模型并不是“设备驱动的替代品”，而是驱动与设备的匹配系统。
• 字符设备可裸用，也可嵌入子系统内部。
• 子系统是专用领域的模型扩展，基于设备模型构建的统一抽象。

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三、实战解析：以 i.MX8MP 的 PWM 驱动为例

NXP 的 pwm-imx27 驱动是一个非常典型的子系统 + 设备模型驱动的代表。下面我们从设备树、驱动代码到字符接口逐步解析。

3.1 设备树定义（设备描述）

在 arch/arm64/boot/dts/freescale/imx8mp-evk.dts 中：

&pwm1 {
    pinctrl-names = "default";
    pinctrl-0 = <&pinctrl_pwm1>;
    status = "okay";
};

说明：pwm1 控制器启用，绑定了特定管脚。

3.2 驱动注册过程（platform_device + pwm_chip）

驱动源码文件：drivers/pwm/pwm-imx27.c

注册入口：

static struct platform_driver imx_pwm_driver = {
    .driver = {
        .name = "pwm-imx27",
        .of_match_table = pwm_imx27_dt_ids,
    },
    .probe = pwm_imx27_probe,
};
module_platform_driver(imx_pwm_driver);

核心结构：

struct pwm_imx27_chip {
    struct pwm_chip chip; // 属于PWM子系统的驱动注册入口
    ...
};

pwm_chip 是子系统定义的结构体，其 ops 字段中定义了 .apply、.get_state 等操作接口。

然后调用：

return devm_pwmchip_add(&pdev->dev, &imx->chip);

此函数实际上完成了驱动注册到子系统 + 注册 sysfs 接口 + device model 挂载等多个功能。

3.3 sysfs 与字符设备的区别

尽管 pwm-imx27 没有 register_chrdev 或 cdev_add，但它通过子系统自动创建了 sysfs 接口，例如：

/sys/class/pwm/pwmchip0/

这意味着控制 PWM 不再依赖传统字符设备节点 /dev/pwm0，而是通过标准 pwm 子系统提供的统一 sysfs 文件操作。

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四、对比分析：没有子系统的字符设备

若驱动不走子系统，例如传统的 LED 控制驱动，则需要手动注册字符设备：

register_chrdev_region();
cdev_init();
cdev_add();

并创建 /dev/xxx 节点，再通过 open/read/write/ioctl 实现访问。

优缺点对比

特性	传统字符设备	子系统驱动（如 PWM）
注册方式	register_chrdev + cdev	pwmchip_add 等
用户访问方式	/dev/xxx	sysfs + standard API
是否自动匹配设备	否	是
是否统一接口	否	是
开发复杂度	中等	略高（但标准）

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五、设备模型：驱动背后的系统机制

Linux 驱动之所以能做到自动识别设备、按需加载驱动，靠的就是设备模型架构。

5.1 总线（bus_type）

• platform 总线：用于板载设备（PWM、I2C、SPI）
• usb 总线：用于外设热插拔设备
• pci 总线：用于 PC 设备识别与枚举

所有子系统最终都依赖某种 bus 类型与设备模型框架。

5.2 匹配过程（match）

设备模型按照：

• .of_match_table（设备树匹配）
• .id_table（非设备树匹配）

来完成 device 与 driver 的自动匹配与调用 probe。

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六、结语与建议

6.1 学习建议

• 新手建议从字符设备入手，理解基础接口。
• 进阶阶段要深入了解设备模型与 sysfs 接口。
• 若目标是嵌入式设备驱动，应熟练掌握子系统开发接口（如 I2C/SPI/PWM 等子系统结构）。

6.2 总结结构图

           +------------------------+
           |     用户空间接口       |
           +------------------------+
                     ↑
          +-------------------------+
          |     sysfs / /dev 节点    |
          +-------------------------+
                     ↑
        +----------------------------+
        |  子系统接口（如 PWM/SPI）   |
        +----------------------------+
                     ↑
         +---------------------------+
         |  设备模型（device model） |
         +---------------------------+
                     ↑
         +--------------------------+
         |   platform/PCI/... bus   |
         +--------------------------+

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附录：i.MX8MP 平台相关驱动推荐阅读

• drivers/pwm/pwm-imx27.c：PWM 控制器驱动
• drivers/regulator/pca9450-regulator.c：PMIC 驱动
• drivers/i2c/busses/i2c-imx.c：I2C 控制器驱动

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