手把手教你写Linux设备树和驱动，7天掌握内核模块开发全流程

第一章：嵌入式Linux驱动开发入门

嵌入式Linux驱动开发是连接硬件与操作系统的核心环节，它使得上层应用能够通过标准接口访问底层设备。驱动程序运行在内核空间，负责初始化硬件、处理中断、提供系统调用接口等功能。在嵌入式系统中，由于资源受限和定制化需求高，编写高效、稳定的驱动尤为重要。

驱动程序的基本结构

一个典型的Linux设备驱动包含模块加载与卸载函数、设备操作接口以及设备注册机制。以下是一个最简化的字符设备驱动框架：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>

static dev_t dev_num;
static struct cdev char_dev;

// 模块加载函数
static int __init simple_driver_init(void)
{
    alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "simple_dev");
    cdev_init(&char_dev, NULL);
    cdev_add(&char_dev, dev_num, 1);
    return 0;
}

// 模块卸载函数
static void __exit simple_driver_exit(void)
{
    cdev_del(&char_dev);
    unregister_chrdev_region(dev_num, 1);
}

module_init(simple_driver_init);
module_exit(simple_driver_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

上述代码注册了一个字符设备，分配了设备号并将其加入系统。`module_init` 和 `module_exit` 宏定义了模块的入口与出口。

开发环境准备

进行驱动开发前需准备好以下工具链：

• 交叉编译工具链（如 arm-linux-gnueabi-gcc）
• 目标平台的内核源码树
• Makefile 支持模块编译
• 调试手段（如 printk、gdb、JTAG）

组件	作用
Kbuild 系统	编译模块时使用内核构建系统
insmod / rmmod	加载和卸载模块
dmesg	查看内核日志输出

graph TD A[编写驱动代码] --> B[使用Makefile编译] B --> C[生成.ko模块文件] C --> D[通过insmod加载] D --> E[查看dmesg验证]

第二章：设备树基础与硬件描述

2.1 设备树基本语法与结构解析

设备树（Device Tree）是一种描述硬件资源与层次关系的数据结构，广泛应用于嵌入式Linux系统中，实现驱动代码与硬件信息的解耦。

核心结构组成

一个设备树文件通常以 `.dts` 为后缀，编译后生成 `.dtb` 二进制格式。其基本结构包含：根节点、子节点和属性。

/ {
    model = "My Embedded Board";
    compatible = "myboard";

    soc {
        #address-cells = <1>;
        #size-cells = <1>;

        uart0: serial@10000000 {
            compatible = "snps,dw-apb-uart";
            reg = <0x10000000 0x1000>;
            interrupts = <5>;
        };
    };
};

上述代码定义了一个基于SoC的系统，其中 `model` 和 `compatible` 描述板级信息；`soc` 节点下配置了地址编码长度；`uart0` 节点通过 `reg` 指定寄存器基址与大小，`interrupts` 表示中断号。

关键属性说明

• compatible：匹配内核中的驱动程序，格式为“制造商,型号”。
• reg：表示设备寄存器地址和长度，常用于内存映射外设。
• #address-cells 与 #size-cells：定义子节点地址与尺寸字段的字长（以cell计）。

2.2 如何为新设备编写设备树节点

在嵌入式Linux系统中，设备树（Device Tree）用于描述硬件拓扑结构。为新设备添加节点时，需在对应设备树源文件（.dts）中定义唯一的节点名称和兼容属性。

基本节点结构

&i2c1 {
    status = "okay";
    fxos8700@1c {
        compatible = "fsl,fxos8700";
        reg = <0x1c>;
        interrupt-parent = <&gpio1>;
        interrupts = <24 0x2>;
    };
};

上述代码在I²C1总线上添加FXOS8700传感器节点。其中：

• compatible：驱动匹配关键字，格式为“制造商,型号”；
• reg：设备在总线上的地址；
• interrupts：中断配置，此处表示GPIO1的第24引脚，下降沿触发。

验证流程

编译后生成的.dtb文件烧录至目标板，内核会根据 compatible字段加载对应驱动，确保硬件资源正确映射。

2.3 设备树与驱动匹配机制深入剖析

在现代嵌入式Linux系统中，设备树（Device Tree）承担着描述硬件拓扑的核心职责。内核通过解析设备树节点的兼容性属性（compatible）实现驱动匹配。

匹配流程解析

驱动注册时会声明支持的设备类型，通常以 `of_match_table` 表示：

static const struct of_device_id my_driver_of_match[] = {
    { .compatible = "vendor,my-device", },
    { /* sentinel */ }
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_driver_of_match);

当平台总线扫描新设备时，内核逐项比对设备节点中的 `compatible` 字符串与驱动支持列表，一旦匹配成功即调用 `.probe()` 函数。

关键数据结构对照

设备树节点属性	驱动侧响应机制
compatible	of_match_table 匹配入口
reg	资源映射 ioremap
interrupts	request_irq 绑定中断处理

2.4 在DTS中定义GPIO、中断与寄存器资源

在嵌入式Linux系统中，设备树（DTS）用于描述硬件资源。通过DTS文件，可以精确配置GPIO、中断和寄存器地址等关键信息。

GPIO资源定义

使用`gpio-controller`属性声明GPIO控制器，并通过`<&gpio>`引用引脚。例如：

led_gpio: gpio@1 {
    compatible = "gpio-leds";
    led-0 {
        gpios = <&gpioa 18 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
        label = "status_led";
    };
};

其中`&gpioa`为GPIO控制器节点引用，`18`表示引脚编号，`GPIO_ACTIVE_HIGH`定义有效电平。

中断与寄存器映射

中断由`interrupts`属性指定，寄存器通过`reg`定义物理地址范围：

uart1: serial@40011000 {
    compatible = "st,stm32-uart";
    reg = <0x40011000 0x400>;
    interrupts = <37>;
    clocks = <&rcc 1>;
};

`reg`表示起始地址与长度，`interrupts`中的`37`为中断号，需与SoC中断向量表一致。

2.5 编译与加载自定义设备树实战

在嵌入式Linux系统开发中，设备树（Device Tree）用于描述硬件资源。编写完成后，需将其编译为二进制格式供内核解析。

设备树的编译流程

使用DTC（Device Tree Compiler）工具将 `.dts` 源文件编译为 `.dtb` 文件：

dtc -I dts -O dtb -o myboard.dtb myboard.dts

该命令指定输入格式为DTS，输出为DTB，生成的二进制文件可被U-Boot加载。

加载与验证步骤

在U-Boot阶段通过以下命令加载设备树：

• fatload mmc 0:1 0x83000000 myboard.dtb —— 从SD卡加载DTB到内存
• fdt addr 0x83000000 —— 告知内核设备树地址
• bootz 0x80008000 - 0x83000000 —— 启动内核并传入设备树

内核启动后可通过 /proc/device-tree验证节点是否存在，确保资源配置生效。

第三章：内核模块编程核心

3.1 模块的加载、卸载与参数传递

Linux内核模块可以在运行时动态加载到内核空间，无需重启系统。使用 insmod命令可将编译好的模块插入内核，而 rmmod用于卸载已加载的模块。

模块生命周期管理

每个模块需定义入口和出口函数：

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>

static int __init my_module_init(void) {
    printk(KERN_INFO "模块已加载\n");
    return 0;
}

static void __exit my_module_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "模块已卸载\n");
}

module_init(my_module_init);
module_exit(my_module_exit);

上述代码中， __init标记初始化函数，加载后释放内存； __exit标记清理函数，仅在模块可卸载时保留。

参数传递机制

模块支持通过 module_param接收外部参数：

static int timeout = 5;
module_param(timeout, int, S_IRUGO);

在加载时指定： insmod mymodule.ko timeout=10，实现灵活配置。

3.2 使用C语言实现字符设备框架

在Linux内核中，字符设备是最基础的设备类型之一。通过C语言实现字符设备框架，核心在于定义并注册`file_operations`结构体，该结构体包含对设备进行操作的函数指针。

设备结构体与操作集

static struct file_operations my_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .read  = device_read,
    .write = device_write,
    .open  = device_open,
    .release = device_release,
};

上述代码定义了字符设备支持的基本I/O操作。`.owner`字段确保模块在使用期间不会被卸载；其余函数指针指向具体实现函数，如`device_read`用于响应用户空间读取请求。

设备注册流程

需调用`register_chrdev`向内核注册设备：

• 主设备号可动态分配（传入0）或指定固定值；
• 设备名称将出现在/proc/devices中；
• 成功返回0，失败则需清理资源。

3.3 内核日志调试与运行时信息追踪

内核日志基础：dmesg 与 printk

Linux 内核通过 printk 函数输出运行时日志，这些信息被存储在环形缓冲区中，可通过 dmesg 命令查看。日志级别从 KERN_EMERG 到 KERN_DEBUG 共8级，控制消息的重要性。

printk(KERN_INFO "Device opened by %s\n", current->comm);

上述代码向内核日志写入一条信息级消息， current->comm 获取当前进程名。该机制适用于驱动加载、硬件探测等关键路径的追踪。

动态调试与实时追踪

对于复杂问题，可启用 ftrace 进行动态函数跟踪。通过 debugfs 挂载点配置追踪器：

追踪器类型	用途说明
function	记录所有函数调用
irqsoff	追踪中断关闭时长
sched_switch	监控进程调度行为

第四章：设备树与驱动协同开发实战

4.1 基于设备树的LED驱动开发全流程

在嵌入式Linux系统中，基于设备树（Device Tree）的LED驱动开发实现了硬件描述与驱动代码的解耦。首先需在设备树源文件中定义LED节点：

leds {
    compatible = "gpio-leds";
    led0: red_led {
        label = "red";
        gpios = <&gpio1 18 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
        default-state = "off";
    };
};

该节点声明了LED使用的GPIO引脚及默认状态。驱动程序通过 of_match_table匹配 compatible字段，利用 devm_gpiod_get_optional()获取GPIO控制句柄。

• 设备树解析：内核启动时将.dtb加载并展开为平台设备；
• 驱动绑定：模块加载后与设备节点完成匹配；
• 资源申请：获取GPIO、中断等硬件资源；
• 注册LED类设备：通过led_classdev_register()接入LED子系统。

最终用户可通过/sys/class/leds/red/brightness直接控制状态，实现应用层与硬件的无缝交互。

4.2 读取设备树属性并动态配置硬件

在嵌入式Linux系统中，设备树（Device Tree）用于描述硬件资源。内核通过解析设备树节点的属性，实现硬件的动态配置。

获取设备树属性

驱动程序可通过标准API读取设备树中的属性值。例如，使用 `of_property_read_u32` 获取整型参数：

// 从设备节点读取时钟频率
u32 clock_freq;
if (of_property_read_u32(np, "clock-frequency", &clock_freq)) {
    dev_err(dev, "无法获取 clock-frequency\n");
    return -EINVAL;
}

该函数尝试从设备节点 `np` 中读取名为 `clock-frequency` 的32位无符号整数。若属性缺失或类型不匹配，函数返回错误码，需进行异常处理。

常用属性读取方式

• of_property_read_string()：读取字符串属性，如兼容性字段
• of_get_named_gpio()：获取GPIO引脚编号
• of_iomap()：映射寄存器地址空间

这些机制使得同一份驱动代码可适配多种硬件平台，提升可维护性与复用性。

4.3 中断驱动的按键输入设备实现

在嵌入式系统中，轮询方式检测按键效率低下，中断驱动机制成为更优选择。通过将按键引脚配置为外部中断源，仅在按键动作发生时触发处理器响应，显著降低CPU开销。

中断初始化配置

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = KEY_PIN;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_FALLING;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
HAL_GPIO_Init(KEY_PORT, &GPIO_InitStruct);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI15_10_IRQn);

上述代码将按键引脚设为下降沿触发中断，并启用对应中断向量。当按键按下时，电平由高变低，触发中断服务例程。

中断服务处理流程

• 硬件自动跳转至中断向量表指定地址
• 执行中断服务函数，读取GPIO状态防误触
• 引入软件消抖延时（如10ms）后确认按键有效
• 置位事件标志或发送消息至主循环处理

4.4 驱动编译、部署与用户空间测试

在完成驱动开发后，需通过内核模块编译系统将其构建为可加载模块。典型的编译依赖 `Makefile` 如下：

obj-m += hello_driver.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)
default:
	$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

该 Makefile 指定将 `hello_driver.c` 编译为内核模块（`.ko` 文件），并通过内核构建系统完成交叉编译。`-C` 参数切换到内核源码目录，`M=$(PWD)` 告知构建系统返回当前目录执行编译。 部署阶段使用 `insmod hello_driver.ko` 加载模块，并通过 `dmesg` 查看内核日志输出。卸载则使用 `rmmod hello_driver`。

用户空间测试接口

若驱动导出设备节点（如 `/dev/hello_dev`），可通过标准 I/O 系统调用进行测试：

• open()：建立与设备的连接
• ioctl()：发送控制命令
• read()/write()：实现数据交互
• close()：释放设备资源

确保用户程序具备正确权限并链接系统库（如 `libc`），即可验证驱动功能完整性。

第五章：7天学习路径总结与进阶建议

回顾核心技能点

在过去的七天中，重点覆盖了Go语言基础语法、并发模型、接口设计与标准库应用。每日任务均围绕实际项目展开，例如使用net/http构建RESTful API服务。

// 示例：简易HTTP处理器
func handler(w http.ResponseWriter, r *http.Request) {
    fmt.Fprintf(w, "Hello, 7-day Gopher!")
}
http.HandleFunc("/", handler)
http.ListenAndServe(":8080", nil)

推荐进阶方向

• 深入理解Go运行时调度器与GMP模型
• 掌握pprof性能分析工具进行内存与CPU剖析
• 实践gRPC服务开发，结合Protocol Buffers定义接口
• 参与开源项目如Kubernetes或Terraform贡献代码

构建个人项目路线图

阶段	目标	技术栈
第1周	CLI工具开发	cobra + viper
第2周	微服务API	gin + gorm + PostgreSQL
第3周	监控集成	Prometheus + Grafana

持续学习资源

官方文档： https://golang.org/doc
社区论坛：r/golang, Go Forum
实战平台：Exercism Go Track, LeetCode Go题集