[Linux外设驱动详解]第一部分：基础篇 —— 驱动开发入门

Linux 设备驱动开发入门指南

硬件平台: 瑞芯微 RK3588 源码路径:

• U-Boot: ./u-boot
• Linux 内核: ./kernel

目录

1. 什么是 Linux 设备驱动

1.1 驱动程序的本质

设备驱动程序 是连接 Linux 内核与硬件设备的桥梁，它为上层应用程序提供统一的访问接口，屏蔽底层硬件的具体实现细节。

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 用户空间 (User Space) │
│ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ ┌──────────────┐ │
│ │ 应用程序 │ │ 应用程序 │ │ Shell │ │
│ └──────┬───────┘ └──────┬───────┘ └──────┬───────┘ │
│ │ │ │ │
│ └─────────────────┼─────────────────┘ │
│ │ │
├───────────────────────────┼───────────────────────────────────┤
│ 系统调用接口 │ (read, write, ioctl, etc.) │
├───────────────────────────┼───────────────────────────────────┤
│ │ │
│ ┌────────────────────────▼─────────────────────────────┐ │
│ │ 内核空间 (Kernel Space) │ │
│ │ ┌────────────────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ VFS (虚拟文件系统) │ │ │
│ │ └────────────────────────────────────────────────┘ │ │
│ │ ┌────────────────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ 设备驱动程序 (Driver) │ │ │
│ │ │ ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐ │ │ │
│ │ │ │ 字符设备│ │ 块设备 │ │ 网络设备│ │ │ │
│ │ │ └────────┘ └────────┘ └────────┘ │ │ │
│ │ └────────────────────────────────────────────────┘ │ │
│ │ ┌────────────────────────────────────────────────┐ │ │
│ │ │ 硬件抽象层 │ │ │
│ │ └────────────────────────────────────────────────┘ │ │
│ └──────────────────────────────────────────────────────┘ │
│ │ │
├───────────────────────────┼───────────────────────────────────┤
│ 硬件设备 │
│ ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐ │
│ │ GPIO │ │ I2C │ │ SPI │ … │
│ └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

关键点:

• 用户空间程序通过系统调用访问设备
• 驱动程序运行在内核空间，拥有最高权限
• 设备文件（如 /dev/gpio）是用户访问驱动的入口

1.2 设备驱动分类

Linux 系统将设备驱动分为三大类：

字符设备 vs 块设备的核心区别:

// 字符设备：顺序访问，像水流一样
/dev/tty → 只能顺序读写
/dev/gpio → 按字节操作

// 块设备：可随机访问任意位置
/dev/sda → 可以跳到任意扇区
/dev/mmcblk0 → 支持文件系统

2. Linux 内核模块机制

2.1 什么是内核模块

内核模块 (Kernel Module) 是可以动态加载到内核中的代码，也称为 LKM (Loadable Kernel Module)。

优势:

• 不需要重新编译整个内核
• 按需加载，节省内存
• 便于开发和调试

2.2 模块的生命周期

┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 内核模块生命周期 │
├──────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ insmod/modprobe │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────┐ module_init() ┌─────────────┐ │
│ │ .ko 文件│ ─────────────────► │ 运行中 │ │
│ │(磁盘上) │ │ (内核内存) │ │
│ └─────────┘ └──────┬──────┘ │
│ │ │
│ │ 提供服务 │
│ ▼ │
│ ┌─────────┐ │
│ │ 设备操作 │ │
│ └─────────┘ │
│ │ │
│ rmmod │ │
│ │ │ │
│ ▼ │ │
│ module_exit() ◄───────────────────────┘ │
│ │ │
│ ▼ │
│ ┌─────────┐ │
│ │ 卸载完成 │ │
│ └─────────┘ │
│ │
└──────────────────────────────────────────────────────────────┘

2.3 模块编程基础

最简单的内核模块

#include <linux/init.h> // 宏定义
#include <linux/module.h> // 模块核心头文件
#include <linux/kernel.h> // 内核函数

// 模块初始化函数 – 加载时执行
static int __init hello_init(void)
{

printk(KERN_INFO \”Hello: 模块已加载\\n\”);
return 0; // 返回 0 表示成功
}

// 模块退出函数 – 卸载时执行
static void __exit hello_exit(void)
{

printk(KERN_INFO \”Hello: 模块已卸载\\n\”);
}

// 注册初始化和退出函数
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

// 模块元信息
MODULE_LICENSE(\”GPL\”); // 许可证声明 (必须)
MODULE_AUTHOR(\”Your Name\”); // 作者
MODULE_DESCRIPTION(\”简单模块\”); // 描述
MODULE_VERSION(\”1.0\”); // 版本

宏说明:

• __init: 函数在初始化后可被丢弃以节省内存
• __exit: 函数仅在模块卸载时使用
• module_init(): 指定模块加载入口
• module_exit(): 指定模块卸载出口

模块加载与卸载命令

# 加载模块
insmod hello.ko # 简单加载
modprobe hello.ko # 智能加载（处理依赖）

# 查看模块
lsmod | grep hello # 列出已加载模块
modinfo hello.ko # 查看模块信息

# 卸载模块
rmmod hello # 移除模块

# 查看内核日志
dmesg | tail # 查看最近的内核消息
dmesg | grep Hello # 查看特定消息

2.4 printk 与内核日志

printk 是内核空间的 printf，用于输出调试信息。

日志级别

#define KERN_EMERG \”0\” // 紧急情况：系统崩溃
#define KERN_ALERT \”1\” // 需要立即处理
#define KERN_CRIT \”2\” // 严重情况
#define KERN_ERR \”3\” // 错误
#define KERN_WARNING \”4\” // 警告
#define KERN_NOTICE \”5\” // 注意
#define KERN_INFO \”6\” // 信息
#define KERN_DEBUG \”7\” // 调试

使用示例:

printk(KERN_INFO \”设备号: %d\\n\”, major); // 信息级别
printk(KERN_ERR \”设备初始化失败: %d\\n\”, ret); // 错误级别
printk(KERN_DEBUG \”调试信息: count=%u\\n\”, count); // 调试级别

// 简写形式（需要包含 <linux/printk.h>）
pr_info(\”设备号: %d\\n\”, major);
pr_err(\”初始化失败: %d\\n\”, ret);
pr_debug(\”count=%u\\n\”, count);

查看内核日志

# 实时查看内核日志
dmesg -w # 持续监控
dmesg -w | grep my_driver # 过滤特定驱动

# 控制台日志级别
cat /proc/sys/kernel/printk # 查看当前级别
echo 8 > /proc/sys/kernel/printk # 设置为调试级别

3. 第一个字符设备驱动

3.1 字符设备架构概览

┌───────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 字符设备驱动架构 │
├───────────────────────────────────────────────────────────────┤
│ │
│ 用户空间 │
│ ┌─────────────┐ open(\”/dev/mydev\”) ┌──────────────┐ │
│ │ 应用程序 │ ─────────────────────► │ VFS 层 │ │
│ │ │ │ │ │
│ │ fd = open()│ read(fd, buf, len) │ 文件系统 │ │
│ │ read(fd) │ ─────────────────────► │ │ │
│ │ write(fd) │ └─