Linux内核驱动——杂项设备驱动与内核模块编译

[一、Linux 内存空间分布](#一、Linux 内存空间分布)

[二、Linux 杂项设备驱动](#二、Linux 杂项设备驱动)

[三、LED 杂项设备驱动实现](#三、LED 杂项设备驱动实现)

[3.1 头文件与硬件地址定义](#3.1 头文件与硬件地址定义)

[3.2 硬件操作函数](#3.2 硬件操作函数)

[3.3 文件操作接口实现](#3.3 文件操作接口实现)

[3.4 模块初始化与退出](#3.4 模块初始化与退出)

四、内核模块编译、加载与卸载

[4.1 编译步骤](#4.1 编译步骤)

[4.2 加载与卸载模块](#4.2 加载与卸载模块)

[五、应用层测试：LED 闪烁程序](#五、应用层测试：LED 闪烁程序)

六、总结

一、Linux 内存空间分布

驱动运行于内核空间，应用运行于用户空间，理解内存布局是驱动开发的前提：

进程：系统中正在执行的程序。
- 拥有 4G 虚拟地址空间（32 位系统），其中1G 为内核空间（kernel）（供内核、驱动运行），3G 为用户空间（供应用程序使用）。
线程：进程内部的执行线路。
- 一个进程至少包含一个线程；线程共享进程的用户空间，但拥有独立栈（默认 8M，存储局部变量、函数返回地址等），因此线程调度开销远低于进程，但线程间相互影响更大（稳定性弱于进程Linux）。

Linux内存空间分布

区域	说明	驱动开发意义
kernel	内核空间	驱动代码运行在此区域，直接访问硬件资源
stack	线程独享空间	存储局部变量、函数参数等，每个线程独立栈（8MB）
heap	动态内存区	需手动申请释放（kmalloc / kfree），驱动中需谨慎使用
map	存储库函数地址	驱动中常用于 ioremap 映射硬件寄存器
bss/data	全局变量区	bss 存储未初始化变量，data 存储已初始化变量
code	二进制程序	驱动代码编译后存放于此

关键点：
- 内核空间（1G）拥有最高权限，可直接访问硬件资源，是内核驱动的运行环境。
- 内核驱动通常由进程通过 open, read, write 等系统调用与之交互。
- 内核驱动需严格避免内存越界、栈溢出等错误，否则会导致系统崩溃。

二、Linux 杂项设备驱动

Linux 设备分为字符设备、块设备、网络设备，**杂项设备（Misc Device）**是字符设备的子类。

核心优势：

主设备号固定为10，无需手动申请，简化驱动开发；
次设备号可动态分配（MISC_DYNAMIC_MINOR），避免设备号冲突；
框架轻量，适合 LED、按键、蜂鸣器等简单字符设备。

杂项设备驱动核心框架：

cpp 复制代码

// 定义杂项设备结构体
static struct miscdevice misc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,  // 动态分配次设备号
    .name = DEV_NAME,             // 设备名
    .fops = &fops                 // 文件操作集合
};

// 注册杂项设备
misc_register(&misc_dev);
// 注销杂项设备
misc_deregister(&misc_dev);

三、LED 杂项设备驱动实现

以 IMX6ULL 开发板的 LED 为例，编写杂项设备驱动实现亮灭控制。

3.1 头文件与硬件地址定义

cpp 复制代码

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/fs.h>
#include <asm/io.h>       // IO映射
#include <linux/uaccess.h>// 用户/内核空间数据拷贝

#define DEV_NAME "led"    // 设备名
// IMX6ULL GPIO1_IO03寄存器物理地址
#define IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03 0x020E0068  // 复用功能寄存器
#define IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03 0x020E02F4  // 电气特性寄存器
#define GPIO1_GDIR 0x0209C004                        // GPIO方向寄存器（输入/输出）
#define GPIO1_DR 0x0209C000                          // GPIO数据寄存器（控制电平）

// 全局指针：存储寄存器映射后的内核虚拟地址（内核无法直接访问物理地址）
static volatile unsigned long *iomux_mux_ctl;
static volatile unsigned long *iomux_pad_ctl;
static volatile unsigned long *gpio1_gdir;
static volatile unsigned long *gpio1_dr;

3.2 硬件操作函数

cpp 复制代码

// LED初始化
static void led1_init(void)
{
    *iomux_mux_ctl = 0x05;        // 复用功能：设为GPIO模式
    *iomux_pad_ctl = 0x10B0;      // 电气特性：设置驱动能力、上下拉
    *gpio1_gdir |= (1 << 3);      // 方向配置：GPIO1_IO03设为输出
}

// LED亮
static void led_on(void)
{
    *gpio1_dr &= ~(1 << 3);
}

// LED灭
static void led_off(void)
{
    *gpio1_dr |= (1 << 3);
}

3.3 文件操作接口实现

cpp 复制代码

// 打开设备
static int open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    led1_init();
    printk("led open\n");
    return 0;
}

// 读取设备
static ssize_t read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *loff)
{
    printk("led read\n");
    return 0;
}

// 写入设备
static ssize_t write(struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *loff)
{
    char data[20] = {0};
    long len = sizeof(data) < size ? sizeof(data) : size;  // 限制拷贝长度
    long ret = copy_from_user(data, buf, len);             // 用户→内核数据拷贝

    // 控制LED
    if(!strcmp(data, "led_on")) led_on();
    else if(!strcmp(data, "led_off")) led_off();
    else ret = -EINVAL;  // 无效参数

    printk("led write\n");
    return ret;
}

// 关闭设备
static int close(struct inode *inode, struct file *file)
{
    led_off();
    printk("led close\n");
    return 0;
}

// 定义文件操作集合
static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = open,
    .read = read,
    .write = write,
    .release = close
};

3.4 模块初始化与退出

cpp 复制代码

// 杂项设备结构体定义
static struct miscdevice misc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = DEV_NAME,
    .fops = &fops
};

// 模块初始化：insmod加载时调用
static int __init led_init(void)
{
    int ret = misc_register(&misc_dev);  // 模块初始化
    if(ret) goto err_misc_register;
    
    // 物理地址→内核虚拟地址映射
    iomux_mux_ctl = ioremap(IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03, 4);
    iomux_pad_ctl = ioremap(IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03, 4);
    gpio1_gdir = ioremap(GPIO1_GDIR, 4);
    gpio1_dr = ioremap(GPIO1_DR, 4);
    
    printk("#################### misc led_init\n");
    return 0;

err_misc_register:
    printk("misc led_init. failed ret = %d\n", ret);
    return ret;
}

// 模块退出：rmmod卸载时调用
static void __exit led_exit(void)
{
    // 取消地址映射
    iounmap(iomux_mux_ctl);
    iounmap(iomux_pad_ctl);
    iounmap(gpio1_gdir);
    iounmap(gpio1_dr);
    // 注销杂项设备
    misc_deregister(&misc_dev);
    
    printk("#################### led_exit\n");
}

// 指定模块入口/出口
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
// 指定模块入口/出口（必须，否则内核拒绝加载）
MODULE_LICENSE("GPL");

四、内核模块编译、加载与卸载

4.1 编译步骤

（1）修改 Kconfig

bash 复制代码

config LED_MISC                                                               
    tristate "This is my led_misc!"
    default y
    ---help---
    his is my test,not use.

将模块类型设为 tristate，允许选择编译为模块（M）或内核部分。

（2）配置内核

bash 复制代码

make menuconfig

找到 Device Drivers → Character devices，将自己添加的程序取消选择，并将杂项设备驱动 led_msic 设置为 M：
配置内核界面

（3）编译模块

bash 复制代码

make modules

成功后会在源码同级目录生成 led_misc.ko 文件：
编译模块生成.ko文件

4.2 加载与卸载模块

将led_misc.ko下载到开发板（NFS/U 盘等），执行以下命令：

加载模块： insmod led_misc.ko
- 内核执行 led_init，注册杂项设备并生成 /dev/led 节点，dmesg 可查看加载日志。
查看已加载模块： lsmod
- 列出当前内核加载的所有模块，可看到 led_misc。
卸载模块： rmmod led_misc
- 内核执行 led_exit，注销设备并释放资源。

模块加载、查看、卸载

五、应用层测试：LED 闪烁程序

驱动加载完成后，编写应用层程序（用户态），通过 /dev/led 节点控制 LED，代码为 led.c：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
    // 打开LED设备节点
    int fd = open("/dev/led", O_RDWR);
    if(fd < 0)
    {
        perror("open led failed");
        return 1;
    }

    // 循环控制LED闪烁
    while(1)
    {
        write(fd, "led_on", sizeof("led_on"));  // 亮
        sleep(1);
        write(fd, "led_off", sizeof("led_off"));// 灭
        sleep(1);
    }

    close(fd);
    return 0;
}

编译与运行：

（1）交叉编译应用程序：

bash 复制代码

arm-linux-gnueabihf-gcc led.c -o ledapp

（2）将 led 下载到开发板，执行：

bash 复制代码

./ledapp

开发板 LED 将以 1 秒间隔闪烁，证明驱动与应用交互正常。

六、总结

本次通过一个完整的 LED 驱动实例，介绍了 Linux 内核驱动开发的关键知识点：

Linux 进程 / 线程的内存空间布局，理解驱动与应用的运行环境；
杂项设备驱动的核心框架（struct miscdevice、注册 / 注销 API）；
内核驱动的完整编写（硬件操作、文件接口、模块初始化 / 退出）；
内核模块的编译方式；
模块的加载、卸载、查看，以及应用层测试流程。