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

Linux内核驱动开发是嵌入式系统、操作系统内核及硬件交互领域的核心技术之一。对于初学者而言，从环境搭建到完成第一个字符设备驱动的开发，既是技术挑战，也是快速掌握内核开发流程的绝佳路径。本文将以Ubuntu 22.04 LTS为开发环境，结合Linux 6.x内核，详细讲解从开发环境配置、内核模块基础到字符设备驱动实现的全流程。

一、开发环境搭建：工具链与内核源码准备

1. 安装基础开发工具

bash 复制代码

# 更新软件包列表
sudo apt update

# 安装编译工具链（GCC、Make、GDB等）
sudo apt install build-essential libncurses-dev bison flex libssl-dev

# 安装内核开发包（头文件与文档）
sudo apt install linux-headers-$(uname -r) linux-doc

2. 获取Linux内核源码

方法1：从官方仓库安装（适用于当前运行内核的开发）

bash 复制代码

sudo apt install linux-source
tar -xvf /usr/src/linux-source-*.tar.bz2 -C ~/
cd ~/linux-source-*

方法2：下载稳定版内核源码（推荐学习最新特性）

bash 复制代码

wget https://cdn.kernel.org/pub/linux/kernel/v6.x/linux-6.x.y.tar.xz
tar -xvf linux-6.x.y.tar.xz -C ~/
cd ~/linux-6.x.y

3. 配置内核编译选项

生成默认配置（基于当前内核）：

bash 复制代码

make defconfig

或手动配置（推荐初学者使用menuconfig）：

bash 复制代码

make menuconfig

重点配置项：

Device Drivers → Character devices：启用字符设备支持
Kernel hacking → Memory Debugging：开启内存调试（便于排查问题）

4. 编译内核与模块（可选）

若需完整编译内核（测试驱动时可能需要）：

bash 复制代码

make -j$(nproc)  # 使用所有CPU核心加速编译
sudo make modules_install install

二、内核模块基础：Hello World驱动

1. 创建第一个内核模块

在~/drivers/hello目录下创建以下文件：

hello.c（模块入口）

c 复制代码

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

static int __init hello_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Hello, Linux Kernel!\n");
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "Goodbye, Linux Kernel!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A Simple Hello World Kernel Module");

Makefile（编译规则）

makefile 复制代码

obj-m := hello.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)

all:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

2. 编译与加载模块

bash 复制代码

make
sudo insmod hello.ko  # 加载模块
dmesg | tail          # 查看内核日志（输出"Hello, Linux Kernel!"）
sudo rmmod hello      # 卸载模块
dmesg | tail          # 查看卸载日志

3. 关键点解析

module_init/module_exit：定义模块的加载和卸载函数。
printk ：内核态打印函数，KERN_INFO为日志级别。
MODULE_LICENSE：必须声明许可证（GPL避免污染内核）。

三、字符设备驱动开发：从理论到实践

1. 字符设备驱动核心概念

设备号 ：主设备号（分类） + 次设备号（实例），通过register_chrdev_region或alloc_chrdev_region分配。
文件操作集（struct file_operations） ：定义open、read、write等操作。
设备节点 ：通过mknod或udev自动创建（如/dev/mychardev）。

2. 实现第一个字符设备驱动

步骤1：创建驱动框架 在~/drivers/chardev目录下创建：

chardev.c

c 复制代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>  // 用户空间与内核空间数据拷贝

#define DEVICE_NAME "mychardev"
#define BUF_SIZE 1024

static int major_num;
static char kernel_buf[BUF_SIZE];
static int buf_len = 0;

// 文件操作集
static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = chardev_open,
    .read = chardev_read,
    .write = chardev_write,
    .release = chardev_release,
};

// 打开设备
static int chardev_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk(KERN_INFO "chardev: Device opened\n");
    return 0;
}

// 读取数据
static ssize_t chardev_read(struct file *file, char __user *buf, size_t len, loff_t *offset) {
    int bytes_read = 0;
    if (*offset >= buf_len || buf_len == 0)
        return 0;

    if (*offset + len > buf_len)
        len = buf_len - *offset;

    if (copy_to_user(buf, kernel_buf + *offset, len))
        return -EFAULT;

    *offset += len;
    bytes_read = len;
    return bytes_read;
}

// 写入数据
static ssize_t chardev_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t len, loff_t *offset) {
    if (len > BUF_SIZE - buf_len)
        len = BUF_SIZE - buf_len;

    if (copy_from_user(kernel_buf + buf_len, buf, len))
        return -EFAULT;

    buf_len += len;
    return len;
}

// 释放设备
static int chardev_release(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk(KERN_INFO "chardev: Device closed\n");
    return 0;
}

// 模块初始化
static int __init chardev_init(void) {
    // 动态分配设备号
    major_num = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops);
    if (major_num < 0) {
        printk(KERN_ALERT "chardev: Failed to register device\n");
        return major_num;
    }
    printk(KERN_INFO "chardev: Registered with major number %d\n", major_num);
    return 0;
}

// 模块退出
static void __exit chardev_exit(void) {
    unregister_chrdev(major_num, DEVICE_NAME);
    printk(KERN_INFO "chardev: Unregistered device\n");
}

module_init(chardev_init);
module_exit(chardev_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("A Simple Character Device Driver");

Makefile

makefile 复制代码

obj-m := chardev.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)

all:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

3. 编译、加载与测试

bash 复制代码

make
sudo insmod chardev.ko

# 查看设备号
dmesg | tail
# 输出示例：chardev: Registered with major number 240

# 创建设备节点（手动方式）
sudo mknod /dev/mychardev c 240 0  # 240替换为实际主设备号

# 测试读写
echo "Hello Kernel" | sudo tee /dev/mychardev
sudo cat /dev/mychardev

# 卸载模块
sudo rmmod chardev

4. 关键代码解析

register_chrdev：动态分配设备号（主设备号0表示自动分配）。
copy_to_user/copy_from_user：安全地在用户空间和内核空间之间拷贝数据。
loff_t *offset：跟踪读写位置，支持多次调用。

四、调试与优化技巧

1. 内核日志查看

bash 复制代码

dmesg -w  # 实时监控内核日志

2. 使用GDB调试内核模块

编译时启用调试信息：
makefile 复制代码
```
EXTRA_CFLAGS := -g
```
使用kgdb或qemu模拟调试（需配置内核启动参数）。

3. 常见问题排查

权限问题 ：确保设备节点可读写（sudo chmod 666 /dev/mychardev）。
内存越界 ：检查BUF_SIZE和buf_len的边界条件。
模块未卸载干净 ：使用lsmod | grep chardev确认。

五、进阶学习路径

深入理解内核机制：
- 进程调度与中断处理
- 内存管理（kmalloc/vmalloc）
- 同步机制（自旋锁、信号量）
扩展驱动功能：
- 实现ioctl接口（设备控制）
- 添加阻塞I/O支持（wait_queue）
- 支持多线程安全（mutex）
实战项目：
- 开发LED、按键等GPIO驱动
- 实现串口通信驱动
- 编写网络协议栈模块

六、总结与资源推荐

从环境搭建到完成第一个字符设备驱动，开发者需掌握内核模块开发流程、字符设备核心机制及调试技巧。推荐学习资源：

书籍：《Linux设备驱动开发（第3版）》（宋宝华译）
文档：Linux内核源码中的Documentation/driver-api/
社区：Linux Kernel Mailing List（LKML）、Stack Overflow内核标签

通过持续实践与深入学习，开发者将逐步掌握Linux内核驱动开发的核心能力，为嵌入式系统、操作系统内核等领域的职业发展奠定坚实基础。