嵌入式Linux驱动开发入门:字符设备驱动实战指南

# 1. 安装必要的工具链sudo apt-get updatesudo apt-get install git bc bison flex libssl-dev make gcc-arm-linux-gnueabihf# 2. 获取Linux内核源码（以树莓派5.10.y内核为例）git clone --depth=1 --branch rpi-5.10.y https://github.com/raspberrypi/linux# 3. 配置内核编译选项cd linuxKERNEL=kernel7lmake ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- bcm2711_defconfig# 4. 准备模块开发环境make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- modules_prepare# 5. 验证环境echo "环境搭建完成！内核版本：$(make kernelversion)"

[宿主机 x86_64]    |    | 交叉编译工具链    v[ARM内核头文件]    |    | 编译驱动模块    v[.ko内核模块文件]    |    | scp传输    v[目标板 Raspberry Pi]    |    | insmod加载    v[运行在内核空间]

// hello.c - 最简单的内核模块#include<linux/init.h>#include<linux/module.h>#include<linux/kernel.h>MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("Embedded Senior");MODULE_DESCRIPTION("A simple hello world module");MODULE_VERSION("1.0");staticint __init hello_init(void){    printk(KERN_INFO "嵌入式学长说：Hello, Linux Kernel!\\n");    return 0;  // 返回0表示成功}staticvoid __exit hello_exit(void){    printk(KERN_INFO "嵌入式学长说：Goodbye, Linux Kernel!\\n");}module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);

# Makefile - 内核模块编译obj-m := hello.oKDIR := /home/embedded/linux  # 修改为你的内核源码路径PWD := $(shell pwd)all:    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-clean:    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

# 编译make# 将hello.ko复制到树莓派scp hello.ko pi@192.168.1.100:/home/pi/# 在树莓派上运行sudo insmod hello.ko      # 加载模块sudo rmmod hello          # 卸载模块dmesg | tail -5          # 查看内核日志

用户空间应用程序    |    | 系统调用（open、read、write）    vVFS虚拟文件系统层    |    | 调用file_operations中的对应函数    v字符设备驱动层    |    ↑    |    | 硬件操作    v    v物理硬件设备

// file_operations结构体示例（简化版）struct file_operations {    struct module *owner;    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);    int (*open) (struct inode *, struct file *);    int (*release) (struct inode *, struct file *);    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);    // ... 更多操作};

// 设备注册代码框架staticint __init mydriver_init(void){    dev_t devno;    int ret;    // 1. 申请设备号（动态申请）    ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "myled");    if (ret < 0) {        printk(KERN_ERR "申请设备号失败\\n");        return ret;    }    major = MAJOR(devno);  // 获取主设备号    // 2. 初始化cdev结构体    cdev_init(&my_cdev, &my_fops);    my_cdev.owner = THIS_MODULE;    // 3. 添加到内核    ret = cdev_add(&my_cdev, devno, 1);    if (ret < 0) {        printk(KERN_ERR "添加cdev失败\\n");        unregister_chrdev_region(devno, 1);        return ret;    }    // 4. 创建设备节点（自动创建）    my_class = class_create(THIS_MODULE, "myled_class");    device_create(my_class, NULL, devno, NULL, "myled");    printk(KERN_INFO "LED驱动注册成功，主设备号：%d\\n", major);    return 0;}

树莓派 GPIO 17 (BCM) → 220Ω电阻 → LED正极 → LED负极 → GND

      +3.3V        |        |     GPIO17        |        |     220Ω电阻        |        |----> LED正极        |      LED负极        |        |       GND

// myled.c - 完整的LED字符设备驱动#include<linux/module.h>#include<linux/fs.h>#include<linux/cdev.h>#include<linux/device.h>#include<linux/uaccess.h>#include<linux/gpio.h>#include<linux/errno.h>#define DEVICE_NAME "myled"#define LED_GPIO 17  // BCM GPIO 17#define BUFFER_SIZE 1024MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("Embedded Senior");MODULE_DESCRIPTION("Raspberry Pi LED Driver");static int major;static struct class *my_class;static struct cdev my_cdev;static char device_buffer[BUFFER_SIZE];static int buffer_pointer = 0;// 设备打开函数staticintmyled_open(struct inode *inode, struct file *file){    printk(KERN_INFO "LED设备被打开\\n");    try_module_get(THIS_MODULE);  // 增加模块引用计数    return 0;}// 设备关闭函数staticintmyled_release(struct inode *inode, struct file *file){    printk(KERN_INFO "LED设备被关闭\\n");    module_put(THIS_MODULE);  // 减少模块引用计数    return 0;}// 读取函数 - 返回LED状态staticssize_tmyled_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos){    int value;    char status[32];    int len;    // 读取GPIO当前状态    value = gpio_get_value(LED_GPIO);    if (value)        len = snprintf(status, sizeof(status), "LED状态：ON\\n");    else        len = snprintf(status, sizeof(status), "LED状态：OFF\\n");    // 复制到用户空间    if (copy_to_user(buf, status, len)) {        return -EFAULT;    }    return len;}// 写入函数 - 控制LED亮灭staticssize_tmyled_write(struct file *filp, constchar __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos){    char command;    if (count != 1) {        printk(KERN_WARNING "只需要一个字符命令：'0'关，'1'开\\n");        return -EINVAL;    }    // 从用户空间获取命令    if (copy_from_user(&command, buf, 1)) {        return -EFAULT;    }    // 执行命令    if (command == '1') {        gpio_set_value(LED_GPIO, 1);        printk(KERN_INFO "LED打开\\n");    } else if (command == '0') {        gpio_set_value(LED_GPIO, 0);        printk(KERN_INFO "LED关闭\\n");    } else {        printk(KERN_WARNING "无效命令：%c\\n", command);        return -EINVAL;    }    return 1;  // 成功写入1个字节}// ioctl控制函数staticlongmyled_ioctl(struct file *filp, unsignedint cmd, unsignedlong arg){    int value;    switch (cmd) {        case 0x01:  // 获取LED状态            value = gpio_get_value(LED_GPIO);            if (copy_to_user((int __user *)arg, &value, sizeof(int)))                return -EFAULT;            break;        case 0x02:  // 翻转LED            value = gpio_get_value(LED_GPIO);            gpio_set_value(LED_GPIO, !value);            printk(KERN_INFO "LED翻转，新状态：%d\\n", !value);            break;        default:            return -ENOTTY;  // 不支持的命令    }    return 0;}// file_operations结构体定义static struct file_operations myled_fops = {    .owner = THIS_MODULE,    .open = myled_open,    .release = myled_release,    .read = myled_read,    .write = myled_write,    .unlocked_ioctl = myled_ioctl,};// 模块初始化函数staticint __init myled_init(void){    dev_t devno;    int ret;    // 1. 申请GPIO    if (!gpio_is_valid(LED_GPIO)) {        printk(KERN_ERR "无效的GPIO号：%d\\n", LED_GPIO);        return -ENODEV;    }    ret = gpio_request(LED_GPIO, "LED_GPIO");    if (ret) {        printk(KERN_ERR "申请GPIO失败：%d\\n", ret);        return ret;    }    // 2. 配置GPIO为输出，初始低电平    gpio_direction_output(LED_GPIO, 0);    // 3. 申请设备号    ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, DEVICE_NAME);    if (ret < 0) {        printk(KERN_ERR "申请设备号失败\\n");        gpio_free(LED_GPIO);        return ret;    }    major = MAJOR(devno);    // 4. 初始化cdev    cdev_init(&my_cdev, &myled_fops);    my_cdev.owner = THIS_MODULE;    // 5. 添加cdev到内核    ret = cdev_add(&my_cdev, devno, 1);    if (ret < 0) {        printk(KERN_ERR "添加cdev失败\\n");        unregister_chrdev_region(devno, 1);        gpio_free(LED_GPIO);        return ret;    }    // 6. 创建设备节点    my_class = class_create(THIS_MODULE, "myled_class");    if (IS_ERR(my_class)) {        printk(KERN_ERR "创建class失败\\n");        cdev_del(&my_cdev);        unregister_chrdev_region(devno, 1);        gpio_free(LED_GPIO);        return PTR_ERR(my_class);    }    device_create(my_class, NULL, devno, NULL, DEVICE_NAME);    printk(KERN_INFO "LED驱动初始化成功！主设备号：%d\\n", major);    printk(KERN_INFO "使用：echo 1 > /dev/myled  # 打开LED\\n");    printk(KERN_INFO "使用：echo 0 > /dev/myled  # 关闭LED\\n");    return 0;}// 模块清理函数staticvoid __exit myled_exit(void){    dev_t devno = MKDEV(major, 0);    // 1. 销毁设备节点    device_destroy(my_class, devno);    // 2. 销毁class    class_destroy(my_class);    // 3. 删除cdev    cdev_del(&my_cdev);    // 4. 释放设备号    unregister_chrdev_region(devno, 1);    // 5. 释放GPIO    gpio_set_value(LED_GPIO, 0);    gpio_free(LED_GPIO);    printk(KERN_INFO "LED驱动卸载完成\\n");}module_init(myled_init);module_exit(myled_exit);

# Makefile for LED driverobj-m := myled.oKDIR := /home/embedded/linux  # 修改为你的内核源码路径PWD := $(shell pwd)all:    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf-clean:    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

// test_led.c - LED驱动测试程序#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<fcntl.h>#include<unistd.h>#include<string.h>#include<sys/ioctl.h>#define DEVICE_PATH "/dev/myled"// ioctl命令定义#define GET_LED_STATUS 0x01#define TOGGLE_LED     0x02intmain(int argc, char *argv[]){    int fd;    char command;    int status;    // 打开设备    fd = open(DEVICE_PATH, O_RDWR);    if (fd < 0) {        perror("打开设备失败");        return -1;    }    printf("LED驱动测试程序\\n");    printf("===============\\n");    // 获取当前状态    if (ioctl(fd, GET_LED_STATUS, &status) < 0) {        perror("ioctl失败");        close(fd);        return -1;    }    printf("当前LED状态：%s\\n", status ? "ON" : "OFF");    // 交互式控制    while (1) {        printf("\\n命令：1=开，0=关，t=翻转，q=退出：");        command = getchar();        getchar();  // 消耗换行符        switch (command) {            case '1':                write(fd, "1", 1);                printf("LED已打开\\n");                break;            case '0':                write(fd, "0", 1);                printf("LED已关闭\\n");                break;            case 't':                ioctl(fd, TOGGLE_LED);                printf("LED已翻转\\n");                break;            case 'q':                close(fd);                printf("程序退出\\n");                return 0;            default:                printf("无效命令\\n");                break;        }    }    close(fd);    return 0;}

# 交叉编译测试程序arm-linux-gnueabihf-gcc -o test_led test_led.c# 复制到树莓派scp test_led pi@192.168.1.100:/home/pi/# 在树莓派上运行chmod +x test_ledsudo ./test_led

// 安全的数据拷贝示例static ssize_t safe_data_transfer(structfile *filp, char __user *buf, size_t count){    char kernel_buf[256];    int ret;    // 1. 检查用户空间缓冲区是否可读写    if (!access_ok(buf, count)) {        return -EFAULT;    }    // 2. 限制拷贝大小，防止缓冲区溢出    if (count > sizeof(kernel_buf)) {        count = sizeof(kernel_buf);    }    // 3. 从用户空间拷贝到内核空间    ret = copy_from_user(kernel_buf, buf, count);    if (ret) {        // 实际拷贝的字节数 = count - ret        printk(KERN_WARNING "部分数据拷贝失败：%d字节未拷贝\\n", ret);        return -EFAULT;    }    // 4. 处理数据...    // 5. 将结果拷贝回用户空间    ret = copy_to_user(buf, kernel_buf, count);    if (ret) {        printk(KERN_WARNING "回写数据失败：%d字节未写入\\n", ret);        return -EFAULT;    }    return count;}

// 实现mmap操作staticintmyled_mmap(structfile *filp, struct vm_area_struct *vma){    unsigned long size = vma->vm_end - vma->vm_start;    // 1. 检查映射大小是否合理    if (size > PAGE_SIZE * 4) {        printk(KERN_WARNING "映射请求过大：%lu字节\\n", size);        return -EINVAL;    }    // 2. 映射内核缓冲区到用户空间    if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start,                        virt_to_phys(device_buffer) >> PAGE_SHIFT,                       size, vma->vm_page_prot)) {        printk(KERN_ERR "内存映射失败\\n");        return -EAGAIN;    }    printk(KERN_INFO "成功映射%lu字节到用户空间\\n", size);    return 0;}// 在file_operations中添加mmap支持static struct file_operations myled_fops = {    // ... 其他操作    .mmap = myled_mmap,};

用户空间进程地址空间    |    | 通过页表建立映射    v内核空间缓冲区    |    | 直接访问    v物理内存

// printk级别定义（从高到低）#define KERN_EMERG   "<0>"// 系统不可用#define KERN_ALERT   "<1>"// 需要立即行动#define KERN_CRIT    "<2>"// 严重错误#define KERN_ERR     "<3>"// 一般错误#define KERN_WARNING "<4>"// 警告#define KERN_NOTICE  "<5>"// 正常但重要#define KERN_INFO    "<6>"// 信息性消息#define KERN_DEBUG   "<7>"// 调试信息// 最佳实践示例staticintmy_function(void){    int ret;    // 进入函数时记录（DEBUG级别）    printk(KERN_DEBUG "my_function: 开始执行\\n");    // 执行核心操作    ret = do_something();    if (ret < 0) {        // 错误时记录（ERR级别）        printk(KERN_ERR "my_function: do_something失败，错误码=%d\\n", ret);        return ret;    }    // 成功时记录（INFO级别）    printk(KERN_INFO "my_function: 成功完成，结果=%d\\n", ret);    return ret;}

// 1. 指针安全检查staticvoidsafe_pointer_access(struct device *dev){    if (!dev) {        printk(KERN_ERR "设备指针为NULL\\n");        return;    }    if (!dev->driver_data) {        printk(KERN_WARNING "驱动数据未初始化\\n");        return;    }    // 安全访问    // ...}// 2. 资源申请检查staticintsafe_resource_allocation(void){    void *buffer;    int ret;    buffer = kmalloc(SIZE, GFP_KERNEL);    if (!buffer) {        printk(KERN_ERR "内存分配失败\\n");        return -ENOMEM;    }    ret = do_operation(buffer);    if (ret < 0) {        kfree(buffer);  // 错误时释放资源        return ret;    }    // 成功时也要记得最终释放    kfree(buffer);    return 0;}

1. 设备号申请（静态/动态）2. cdev结构体初始化3. 添加cdev到内核4. class创建与设备节点生成5. 资源清理的逆向操作

1. 防御性编程：指针检查、资源管理2. 并发安全：锁机制、原子操作3. 性能优化：减少拷贝、DMA使用4. 测试覆盖：单元测试、压力测试5. 代码审查：遵循内核编码规范