Linux驱动程序

封面图 • 2025-11-24 • 嵌入式

Linux 驱动程序是用于与硬件设备进行交互的软件模块，它们允许操作系统内核和用户空间应用程序与硬件设备（如网卡、显卡、USB 设备、键盘、鼠标等）通信。Linux 的驱动程序通常以**内核模块**的形式存在，也可以是**静态编译进内核**的。

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## 一、Linux 驱动程序的类型

根据设备类型和接口方式，Linux 驱动可以分为以下几类：

### 1. **字符设备驱动**
- 提供对设备的字节流访问。
- 例如：串口、键盘、鼠标、LCD 显示器等。
- 接口函数：`open()`, `read()`, `write()`, `ioctl()` 等。

### 2. **块设备驱动**
- 用于磁盘、闪存等按块读写设备。
- 例如：硬盘、U 盘、SD 卡等。
- 通常使用 I/O 调度器来管理数据传输。

### 3. **网络设备驱动**
- 处理网络数据包的收发。
- 例如：以太网卡、无线网卡等。
- 使用 `net_device` 结构体和 `ndo_open()`, `ndo_start_xmit()` 等接口。

### 4. **平台设备驱动（Platform Driver）**
- 用于没有标准总线连接的设备（如嵌入式系统中的 SoC 内部设备）。
- 通过 `platform_device` 和 `platform_driver` 注册。

### 5. **设备树（Device Tree）驱动**
- 在 ARM 等嵌入式平台上广泛使用。
- 用 `.dts` 文件描述硬件信息，驱动程序通过设备树获取设备资源。

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## 二、Linux 驱动开发的基本结构

一个典型的 Linux 字符设备驱动包括以下几个部分：

### 1. **头文件**
```c
#include <linux/module.h>      // 模块支持
#include <linux/fs.h>          // 文件操作结构
#include <linux/cdev.h>        // 字符设备结构
#include <linux/device.h>      // 设备注册
```

### 2. **定义设备号**
```c
#define DEVICE_NAME "mydevice"
#define MAJOR_NUM 0  // 动态分配
```

### 3. **文件操作结构体**
```c
static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = my_open,
    .read = my_read,
    .write = my_write,
    .release = my_close,
};
```

### 4. **模块初始化函数**
```c
static int __init my_init(void) {
    alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, DEVICE_NAME);
    cdev_init(&cdev, &fops);
    cdev_add(&cdev, dev, 1);

class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);
    device_create(class, NULL, dev, NULL, DEVICE_NAME);

printk(KERN_INFO "Driver loaded\n");
    return 0;
}
```

### 5. **模块退出函数**
```c
static void __exit my_exit(void) {
    cdev_del(&cdev);
    unregister_chrdev_region(dev, 1);
    device_destroy(class, dev);
    class_destroy(class);
    printk(KERN_INFO "Driver unloaded\n");
}
```

### 6. **注册模块**
```c
module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A simple character driver");
```

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## 三、常见开发工具和调试方法

| 工具/方法 | 说明 |
|-----------|------|
| `insmod` / `rmmod` | 加载/卸载模块 |
| `modinfo` | 查看模块信息 |
| `dmesg` | 查看内核日志 |
| `gdb` | 调试内核模块（需配置） |
| `printk()` | 内核打印日志（类似 `printf`） |
| `strace` | 跟踪用户空间调用 |
| `ltrace` | 跟踪库函数调用 |

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## 四、驱动开发流程

1. **编写驱动代码**  
   实现设备的打开、读写、控制等操作。

2. **编译为内核模块（`.ko` 文件）**  
   使用 `make` 或 `gcc -m32 -D__KERNEL__ -I/usr/src/linux-headers-...` 编译。

3. **加载模块**  
   ```bash
   sudo insmod mydriver.ko
   ```

4. **测试驱动**  
   使用 `cat`, `dd`, `echo` 等命令测试设备功能。

5. **查看日志**  
   ```bash
   dmesg | tail -n 20
   ```

6. **卸载模块**  
   ```bash
   sudo rmmod mydriver
   ```

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## 五、常用驱动框架

| 驱动类型 | 示例 | 用途 |
|----------|------|------|
| **SPI 驱动** | `spidev` | 用于 SPI 总线设备 |
| **I2C 驱动** | `i2c-dev` | 用于 I2C 总线设备 |
| **USB 驱动** | `usbcore`, `cdc_acm` | 用于 USB 设备 |
| **GPIO 驱动** | `gpio-generic` | 控制通用输入输出引脚 |
| **PWM 驱动** | `pwm` | 控制脉宽调制信号 |

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## 六、参考资料

- [Linux Device Drivers (LDD3)](https://www.makelinux.net/ldd3/)
- [The Linux Kernel Module Programming Guide](https://tldp.org/LDP/lkmpg/2.6/html/index.html)
- [Linux 内核源码](https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/)
- [设备树文档](https://www.kernel.org/doc/Documentation/devicetree/)

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