linux内核驱动开发视频课程

Linux 内核驱动开发入门：从环境搭建到第一个字符设备驱动

面向读者：

会写 C 和 make、但对 insmod 心存敬畏的 Linux 应用开发工程师

想打开"内核世界大门"的嵌入式在校生

被"段错误"劝退、又心痒想点亮小灯的极客
读完收获：

① 一套能反复编译 >=20 次不炸的驱动开发环境（Ubuntu 22.04 + QEMU + 5.15 内核）

② 亲手写出 < 100 行的"hello-char"字符设备，并看懂 dmesg 每一行

③ 掌握"加载-查看-卸载-调试"完整闭环，为后续 platform/device-tree/中断/时钟树打地基

一、前置知识清单（只需 3 项）

技能	最低要求	推荐速补链接
C 语言	能写结构体 + 函数指针	《C Primer Plus》第 6 章
Makefile	看得懂目标、依赖、变量	GNU Make 官方 10 分钟教程
Shell 基础	`ls /dev` `dmesg -H`	man 手册即可

不懂内核 API？------没关系，本文出现的每一个函数都会给原型 + 一行注释。

没硬件？------用 QEMU 跑纯内存虚拟板子，同样能 insmod。

二、20 分钟搭好"不踩坑"开发环境

1. 宿主机选型

Windows：WSL2 + Ubuntu 22.04（内核 5.15+）
macOS：UTM 装 Ubuntu 22.04 ARM64
Linux：直接真机，建议 distro >= Ubuntu 20.04

2. 一键脚本（Ubuntu 22.04 验证通过）

bash 复制代码

#!/bin/bash
# file: setup_env.sh
sudo apt update && sudo apt install -y \
  build-essential git vim cscope ctags \
  linux-headers-$(uname -r) \
  qemu qemu-system-x86 \
  flex bison libssl-dev libelf-dev bc

执行完占用磁盘约 2.1 GB。

3. 验证工具链

bash 复制代码

$ gcc --version        # >= 9.0 即可
$ make -v              # >= 4.0
$ qemu-system-x86_64 --version

三、下载并编译"同源"内核（5.15 LTS）

目标：让驱动模块和内核版本号 完全一致 ，避免 vermagic 加载失败。

bash 复制代码

# 1. 取官方长期支持版
$ git clone --depth 1 -b linux-5.15.y \
    https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/stable/linux.git ~/kernel-5.15
$ cd ~/kernel-5.15

# 2. 生成默认配置（x86_64）
$ make x86_64_defconfig

# 3. 打开"启用模块版本校验"方便调试
$ make menuconfig
    -> Enable loadable module support
       -> Module versioning support (CONFIG_MODVERSIONS) = y
    -> Kernel hacking
       -> Compile-time checks and compiler options
          -> Compile the kernel with debug info (CONFIG_DEBUG_INFO) = y

# 4. 编译（i7-11800H 约 12 min）
$ make -j$(nproc)

# 5. 安装模块到 /lib/modules/5.15.0+
$ sudo make modules_install
$ sudo cp arch/x86/boot/bzImage /boot/vmlinuz-5.15-lab

用 QEMU 启动自编译内核（无真实硬件也 OK）

bash 复制代码

$ qemu-system-x86_64 \
  -kernel /boot/vmlinuz-5.15-lab \
  -drive file=rootfs.img,format=raw  \  # 可共用宿主机目录
  -append "root=/dev/sda rw console=ttyS0 nokaslr" \
  -nographic -m 2G -smp 2

nokaslr 关闭地址随机化，方便 gdb 调试。

四、字符设备驱动"hello-char"源码

功能：

注册设备节点 /dev/hello

支持 open/close/read/write

用 kmalloc 分配 4 KB 环形缓冲区

用 pr_info 打印每次操作

目录树：

复制代码

hello_char/
├── hello_char.c
├── Makefile
└── README.md

1. hello_char.c（代码共 88 行，含空行）

c 复制代码

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>   /* copy_to_user */
#include <linux/slab.h>      /* kmalloc */

#define DEVICE_NAME "hello"
#define BUF_SIZE  4096

static int major;
static char *buf;
static int wp;
static dev_t dev;
static struct cdev hello_cdev;

/* open */
static int hello_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    pr_info("hello: open\n");
    return 0;
}

/* read */
static ssize_t hello_read(struct file *filp, char __user *user,
                          size_t sz, loff_t *off)
{
    int ret;
    if (sz > BUF_SIZE) sz = BUF_SIZE;
    ret = copy_to_user(user, buf, sz);
    return ret == 0 ? sz : -EFAULT;
}

/* write */
static ssize_t hello_write(struct file *filp, const char __user *user,
                           size_t sz, loff_t *off)
{
    int ret;
    if (sz > BUF_SIZE - wp) sz = BUF_SIZE - wp;
    ret = copy_from_user(buf + wp, user, sz);
    if (ret == 0) {
        wp += sz;
        return sz;
    }
    return -EFAULT;
}

/* release */
static int hello_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    pr_info("hello: release\n");
    return 0;
}

static const struct file_operations hello_fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = hello_open,
    .read    = hello_read,
    .write   = hello_write,
    .release = hello_release,
};

/* 模块初始化 */
static int __init hello_init(void)
{
    int err;
    /* 1. 申请设备号 */
    err = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, DEVICE_NAME);
    if (err < 0) goto fail;
    major = MAJOR(dev);

    /* 2. 分配缓冲区 */
    buf = kmalloc(BUF_SIZE, GFP_KERNEL);
    if (!buf) { err = -ENOMEM; goto unregister; }

    /* 3. 注册字符设备 */
    cdev_init(&hello_cdev, &hello_fops);
    hello_cdev.owner = THIS_MODULE;
    err = cdev_add(&hello_cdev, dev, 1);
    if (err) goto free_buf;

    pr_info("hello: loaded, major=%d, device /dev/%s\n", major, DEVICE_NAME);
    return 0;

free_buf:
    kfree(buf);
unregister:
    unregister_chrdev_region(dev, 1);
fail:
    return err;
}

/* 模块卸载 */
static void __exit hello_exit(void)
{
    cdev_del(&hello_cdev);
    kfree(buf);
    unregister_chrdev_region(dev, 1);
    pr_info("hello: unloaded\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("lab<lab@example.com>");
MODULE_DESCRIPTION("The simplest char device driver");

2. Makefile（万能模板，兼容多内核版本）

makefile 复制代码

KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD       := $(shell pwd)
obj-m     := hello_char.o

all:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
clean:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) clean

五、编译-加载-测试一条龙

1. 编译

bash 复制代码

$ cd hello_char
$ make
  LD [M]  hello_char.ko

2. 插入模块 & 查看设备号

bash 复制代码

$ sudo insmod hello_char.ko
$ dmesg | tail
[  112.345] hello: loaded, major=240, device /dev/hello

3. 手动创建设备节点（也可自动，见下一节）

bash 复制代码

$ sudo mknod /dev/hello c 240 0
$ sudo chmod 666 /dev/hello

4. 读写测试

bash 复制代码

$ echo "kernel driver" > /dev/hello
$ cat /dev/hello
kernel driver

5. 卸载

bash 复制代码

$ sudo rmmod hello_char
$ dmesg | tail
[  180.112] hello: unloaded

六、进阶：自动创建设备节点（udev）

用 device_create + class_create 即可省去 mknod。

c 复制代码

static struct class *hello_class;

/* 在 hello_init 末尾添加 */
hello_class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);
device_create(hello_class, NULL, dev, NULL, DEVICE_NAME);

/* 在 hello_exit 开头移除 */
device_destroy(hello_class, dev);
class_destroy(hello_class);

重新加载后，/dev/hello 自动生成，权限 660，可写 udev 规则改为 666。

七、调试三板斧：打印、查看、断点

1. `pr_info` + `dmesg -w`

级别：KERN_INFO 可显示，KERN_DEBUG 需打开 DEBUG 宏
限速：同一行多次打印用 pr_info_once()

2. 模块信息 & 符号表

bash 复制代码

$ modinfo hello_char.ko
$ cat /proc/modules | grep hello
$ sudo cat /sys/module/hello_char/sections/.text

3. `gdb` + `qemu` 源码级调试（可选）

QEMU 启动加 -s -S，另开终端：

bash 复制代码

$ gdb vmlinux
(gdb) target remote :1234
(gdb) add-symbol-file hello_char.ko 0xffffffffc0000000
(gdb) b hello_write
(gdb) c

八、常见错误对照表（收藏级）

现象	原因	解决
`insmod: ERROR: could not insert module hello_char.ko: Invalid module format`	vermagic 不匹配，模块用 5.15 编译，内核是 5.4	确保用同版本 `KERNELDIR`
`Unknown symbol __kmalloc`	未 `include <linux/slab.h>`	加头文件
`Device or resource busy`	设备节点被占用，或忘记 `cdev_del`	`lsof /dev/hello` 后 kill
`Unable to handle kernel NULL pointer dereference`	空指针解引用	用 `kgdb`/`kdump` 定位

九、下一步往哪走？

同步/互斥：把环形缓冲区改成 kfifo，加自旋锁
中断/GPIO：在树莓派上点亮 LED，用 gpiod 新接口
platform + 设备树：写 I²C 温湿度传感器驱动
调试工具进阶：ftrace, perf, eBPF

十、总结：你刚完成了"从 0 到 1"

✅ 会编译内核与模块

✅ 理解字符设备骨架：申请设备号→cdev_add→file_operations

✅ 掌握 insmod/rmmod/dmesg 调试闭环

✅ 会用 copy_to_user/copy_from_user 做内核-用户数据交换

内核世界的大门已推开，下一站：中断、DMA、设备树、电源管理......

保持好奇，保持敬畏，Happy Hacking！

linux内核驱动开发视频课程

Linux 内核驱动开发入门：从环境搭建到第一个字符设备驱动

一、前置知识清单（只需 3 项）

二、20 分钟搭好"不踩坑"开发环境

1. 宿主机选型

2. 一键脚本（Ubuntu 22.04 验证通过）

3. 验证工具链

三、下载并编译"同源"内核（5.15 LTS）

用 QEMU 启动自编译内核（无真实硬件也 OK）

四、字符设备驱动"hello-char"源码

1. hello_char.c（代码共 88 行，含空行）

2. Makefile（万能模板，兼容多内核版本）

五、编译-加载-测试一条龙

1. 编译

2. 插入模块 & 查看设备号

3. 手动创建设备节点（也可自动，见下一节）

4. 读写测试

5. 卸载

六、进阶：自动创建设备节点（udev）

七、调试三板斧：打印、查看、断点

1. pr_info + dmesg -w

2. 模块信息 & 符号表

3. gdb + qemu 源码级调试（可选）

八、常见错误对照表（收藏级）

九、下一步往哪走？

十、总结：你刚完成了"从 0 到 1"

1. `pr_info` + `dmesg -w`

3. `gdb` + `qemu` 源码级调试（可选）