Linux 驱动开发步骤及 SPI 设备驱动移植示例

Linux 驱动开发的一般步骤

1. 硬件了解：深入研究目标硬件设备的工作原理、寄存器映射、电气特性、中断机制等。例如，若开发网卡驱动，需清楚网卡如何与网络介质交互、数据包的收发流程、硬件缓冲区的管理等。只有透彻理解硬件，才能编写出与之适配的驱动程序。
2. 创建驱动框架：依据 Linux 内核提供的驱动模型，搭建驱动的基本结构。对于字符设备驱动，需定义struct cdev结构体，并实现其初始化函数、设备注册与注销函数等。以简单的 LED 驱动为例，要创建一个包含 LED 初始化、控制等操作的结构体，以及对应的初始化和注册函数，将 LED 设备与内核框架关联起来。
3. 实现驱动功能：完成硬件初始化，包括设置硬件寄存器使其进入工作状态，如配置 SPI 控制器的时钟频率、数据位宽等。进行寄存器读写操作，通过内核提供的函数（如ioread、iowrite）与硬件寄存器交互，实现数据传输和设备控制。处理设备中断，若设备支持中断，编写中断处理函数，在中断发生时及时响应并处理相关事务，如网卡收到新数据包时触发中断，中断处理函数负责将数据从硬件缓冲区读取到内核缓冲区。
4. 测试与调试：使用insmod或modprobe命令加载驱动模块，观察系统日志（dmesg命令），查看驱动加载过程中是否有错误信息。编写测试应用程序，从用户空间调用驱动提供的接口，验证驱动功能是否正常。例如，对于字符设备驱动，测试程序可使用open、read、write、close等系统调用来操作设备。利用内核调试工具（如kgdb），设置断点、单步执行等，深入分析驱动运行时的问题，排查错误根源。

SPI 设备驱动移植示例

以将 SPI 设备驱动移植到基于 Linux 系统的嵌入式开发板为例，假设开发板使用的芯片为 [具体芯片型号]，目标 SPI 设备为 [SPI 设备名称]，如 SPI Flash。

1. 硬件连接确认：检查开发板上 SPI 控制器与 SPI 设备的物理连接，包括 SPI 时钟线（SCK）、主机输出从机输入线（MOSI）、主机输入从机输出线（MISO）、从机选择线（CS）等，确保连接正确且稳定。例如，SPI Flash 的 CS 引脚需连接到开发板 SPI 控制器的对应 GPIO 引脚，以便主机选择该从机设备。
2. 内核配置：进入内核配置界面（通常通过make menuconfig命令），确保内核已启用 SPI 子系统相关选项。在配置菜单中找到 "Device Drivers" -> "SPI support"，确保其被选中，若 SPI 控制器有特定的驱动选项（如针对开发板芯片的 SPI 控制器驱动），也需一并选中。例如，若开发板使用的是 [芯片厂商] 的 SPI 控制器，需确保该厂商对应的 SPI 驱动选项被使能。
3. 添加设备树描述：在设备树文件（通常位于arch/arm/boot/dts目录下，具体文件名根据开发板型号而定）中添加 SPI 设备的描述信息。例如：

spi_device: spi@[SPI控制器地址] {

compatible = "vendor,spi - device - name";

spi - master - num = <[SPI控制器编号]>;

cs - gpios = <&gpio[GPIO端口号] [GPIO引脚号] 0>;

spi - mode = <[SPI模式，如0、1、2、3]>;

spi - clock - freq = <[SPI时钟频率，如10000000]>;

#address - cells = <1>;

#size - cells = <0>;

reg = <[SPI设备片内寄存器地址，若有]>;

};

上述代码中，compatible字段用于匹配驱动程序，cs - gpios指定从机选择引脚，spi - mode设置 SPI 模式，spi - clock - freq设定时钟频率等。

4. 编写 SPI 设备驱动代码：

• 创建驱动模块框架：定义 SPI 设备驱动结构体，包含设备操作函数指针等。例如：

#include <linux/module.h>

#include <linux/spi/spi.h>

static const struct spi_device_id spi_device_ids[] = {

{"vendor,spi - device - name", 0},

{}

};

MODULE_DEVICE_TABLE(spi, spi_device_ids);

static struct spi_driver spi_device_driver = {

.driver = {

.name = "spi - device - driver",

.owner = THIS_MODULE,

},

.id_table = spi_device_ids,

.probe = spi_device_probe,

.remove = spi_device_remove,

};

• 实现 probe 函数：在设备探测函数中，完成 SPI 设备的初始化和注册等操作。例如：

static int spi_device_probe(struct spi_device *spi)

{

int ret;

// 分配设备私有数据结构体

struct spi_device_private *priv = devm_kzalloc(&spi->dev, sizeof(*priv), GFP_KERNEL);

if (!priv)

return -ENOMEM;

spi_set_drvdata(spi, priv);

// 配置SPI设备，如设置时钟频率、模式等

spi->mode = SPI_MODE_0;

spi->max_speed_hz = 10000000;

ret = spi_setup(spi);

if (ret) {

dev_err(&spi->dev, "spi setup failed: %d\n", ret);

return ret;

}

// 这里可进一步进行硬件相关的初始化，如读写SPI设备的寄存器进行初始化配置

dev_info(&spi->dev, "SPI device %s probed successfully\n", spi->modalias);

return 0;

}

• 实现 remove 函数：在设备移除函数中，进行资源释放等清理操作。例如：

static void spi_device_remove(struct spi_device *spi)

{

// 释放设备私有数据结构体等资源

struct spi_device_private *priv = spi_get_drvdata(spi);

// 若有分配的硬件资源（如DMA通道等），在此处释放

dev_info(&spi->dev, "SPI device %s removed\n", spi->modalias);

}

• 实现设备操作函数：如实现对 SPI 设备的读写函数。例如：

static ssize_t spi_device_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *off)

{

struct spi_device *spi = filp->private_data;

struct spi_device_private *priv = spi_get_drvdata(spi);

// 构建SPI传输消息结构体

struct spi_transfer tr = {

.tx_buf = NULL,

.rx_buf = priv->rx_buffer,

.len = count,

};

struct spi_message msg;

spi_message_init(&msg);

spi_message_add_tail(&tr, &msg);

int ret = spi_sync(spi, &msg);

if (ret) {

dev_err(&spi->dev, "SPI read failed: %d\n", ret);

return ret;

}

// 将读取到的数据从内核缓冲区复制到用户空间

ret = copy_to_user(buf, priv->rx_buffer, count);

if (ret) {

dev_err(&spi->dev, "copy to user failed: %d\n", ret);

return -EFAULT;

}

return count;

}

static ssize_t spi_device_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *off)

{

struct spi_device *spi = filp->private_data;

struct spi_device_private *priv = spi_get_drvdata(spi);

// 将用户空间数据复制到内核缓冲区

int ret = copy_from_user(priv->tx_buffer, buf, count);

if (ret) {

dev_err(&spi->dev, "copy from user failed: %d\n", ret);

return -EFAULT;

}

// 构建SPI传输消息结构体

struct spi_transfer tr = {

.tx_buf = priv->tx_buffer,

.rx_buf = NULL,

.len = count,

};

struct spi_message msg;

spi_message_init(&msg);

spi_message_add_tail(&tr, &msg);

ret = spi_sync(spi, &msg);

if (ret) {

dev_err(&spi->dev, "SPI write failed: %d\n", ret);

return ret;

}

return count;

}

5.编译与测试：将编写好的 SPI 设备驱动代码编译成内核模块（.ko文件），可通过修改驱动目录下的Makefile文件，添加编译规则。例如：

obj - m += spi_device_driver.o

KDIR := /lib/modules/$(shell uname - r)/build

PWD := $(shell pwd)

default:

$(MAKE) - C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:

$(MAKE) - C $(KDIR) M=$(PWD) clean

然后执行make命令进行编译。编译成功后，使用insmod命令加载驱动模块，通过dmesg命令查看驱动加载信息，确认是否加载成功。接着编写测试应用程序，从用户空间对 SPI 设备进行读写操作，验证驱动功能是否正常。例如：

#include <stdio.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

#include <string.h>

#define SPI_DEVICE_FILE "/dev/spi_device"

int main()

{

int fd = open(SPI_DEVICE_FILE, O_RDWR);

if (fd < 0) {

perror("open spi device failed");

return -1;

}

char write_buf[] = "Hello, SPI device!";

ssize_t write_ret = write(fd, write_buf, strlen(write_buf));

if (write_ret < 0) {

perror("write to spi device failed");

close(fd);

return -1;

}

char read_buf[100];

ssize_t read_ret = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf) - 1);

if (read_ret < 0) {

perror("read from spi device failed");

close(fd);

return -1;

}

read_buf[read_ret] = '\0';

printf("Read from SPI device: %s\n", read_buf);

close(fd);

return 0;

}

编译并运行测试程序，观察 SPI 设备的读写操作是否正确，若有问题，通过调试手段（如打印更多调试信息、使用内核调试工具等）排查解决。

通过以上步骤，可完成 Linux 驱动开发以及 SPI 设备驱动的移植与测试工作，使 SPI 设备能够在 Linux 系统下正常工作。在实际开发中，需根据具体硬件和应用需求，灵活调整和优化驱动代码。