Linux 驱动开发与内核通信机制——超详细教程

Linux 驱动开发与内核通信机制——超详细教程

在 Linux 驱动开发中，经常会遇到两个让初学者头疼的概念：内核空间与用户空间、驱动与应用的交互。如果你刚开始学习驱动编程，可能会被各种 copy_from_user、ioremap、mknod 弄晕。本教程将带你从零开始，一步步拆解这些知识点，结合实际例子，让你能自己写出一个简单的字符设备驱动。

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内核空间与用户空间

为什么要区分？

Linux 把虚拟内存划分为两部分：

• 用户空间（User Space）

  • 程序员写的应用程序运行的地方。
  • 可以通过系统调用（open、read、write 等）间接操作内核。
  • 如果应用崩溃，只会影响自己，不会影响整个系统。

• 内核空间（Kernel Space）

  • 存放 Linux 内核代码和驱动程序。
  • 能直接操作硬件、管理内存、调度进程。
  • 如果内核代码出错，可能导致系统崩溃（kernel panic）。

这种隔离的最大好处就是保护系统稳定性。比如你写了一个有 bug 的应用，最多应用自己崩溃，不会让整个系统挂掉。

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内核与用户空间的通信方式

驱动开发的关键任务之一，就是让用户空间的应用程序能够与内核交互。常见的通信方式有以下几种：

1. copy_from_user 与 copy_to_user

这是一对最常见的 API：

• copy_from_user()：从用户空间拷贝数据到内核空间。
• copy_to_user()：从内核空间拷贝数据到用户空间。

它们常用在驱动的 read() 和 write() 函数中。

代码示例：

static ssize_t my_write(struct file *file, const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos) {char kernel_buf[100];if (count > sizeof(kernel_buf))return -EINVAL;if (copy_from_user(kernel_buf, buf, count)) {return -EFAULT;}printk("内核收到数据: %s\n", kernel_buf);return count;
}

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2. /proc 文件系统

• 驱动程序可以在 /proc 下注册一个文件。
• 用户只需 cat /proc/mydev 就能读取信息。

**优点：**实现简单，适合调试。
**缺点：**功能较弱，不适合复杂的数据交换。

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3. sysfs 文件系统

• /sys 目录下的文件是内核导出的信息。
• 用户可以通过读写 /sys 文件和驱动交互。

**适用场景：**导出驱动参数、硬件属性（如设备 ID、工作模式）。

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4. mmap 内存映射

有时用户程序需要频繁访问驱动的大块数据，比如图像缓冲区。为了效率，可以用 mmap 将内核内存直接映射到用户空间。

关键点：

• 用户调用 mmap()。
• 驱动在 file_operations 里实现 mmap() 回调。
• 内核和用户共享同一块物理内存，省去了数据拷贝。

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5. 信号（Signal）

• 内核可以主动给进程发送信号（如 SIGKILL）。
• 常用于通知用户程序发生了某个事件。

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6. 自定义协议 / 套接字

• 适合复杂通信，比如网络驱动。
• 驱动与应用通过 socket 通信。

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字符设备驱动基础

Linux 驱动分为三类：字符设备、块设备、网络设备。初学者最常接触的就是字符设备。

字符设备的特点

• 数据流是按字节处理的。
• 典型设备：键盘、串口。

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字符设备的核心结构：file_operations

驱动中最重要的结构就是 struct file_operations，它定义了驱动能提供的功能。

struct file_operations {ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);int (*open)   (struct inode *, struct file *);int (*release)(struct inode *, struct file *);
};

解释：

• open：用户调用 open("/dev/mydev") 时触发。
• read：用户调用 read() 时触发。
• write：用户调用 write() 时触发。
• release：用户 close() 设备时触发。

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注册字符设备

驱动必须告诉内核：“我有一个设备了”。有两种注册方式：

方法一：现代方式（推荐）

struct cdev my_cdev;
cdev_init(&my_cdev, &fops);
cdev_add(&my_cdev, dev, 1);

方法二：早期方式

register_chrdev(major, "mydev", &fops);

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主设备号与次设备号

Linux 中每个设备都有一个设备号，由 主设备号 和 次设备号组成：

• 主设备号（major）：标识驱动。
• 次设备号（minor）：区分同一个驱动下的不同设备。

创建设备节点：

mknod /dev/mydev c 250 0

• c → 字符设备；
• 250 → 主设备号；
• 0 → 次设备号。

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内存映射与硬件寄存器访问

驱动经常需要访问外设的寄存器，而寄存器地址是物理地址，必须映射到虚拟地址后才能访问。

API：ioremap

void __iomem *ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size);

示例：

void __iomem *reg_base;
reg_base = ioremap(0x12340000, 0x100); // 映射外设寄存器
writel(0x1, reg_base + 0x04);         // 写寄存器

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常见调试方法

1. printk

   • 类似于 printf，输出到 dmesg。
   • 常用于调试驱动。

2. strace

   • 跟踪用户程序调用的系统调用。

3. sysfs/proc

   • 在 /sys 或 /proc 下导出信息。

4. gdb + qemu

   • 在虚拟机里调试内核，适合进阶学习。

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进程与线程相关知识

进程的五种状态

1. 新建（new）
2. 就绪（ready）
3. 运行（running）
4. 阻塞（blocked）
5. 终止（terminated）

内核线程 vs 用户线程

• 用户线程：内核不可见，切换快，但一个线程阻塞会影响整个进程。
• 内核线程：由内核调度，阻塞不会影响其他线程，但切换开销大。

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僵尸进程与守护进程

僵尸进程

• 子进程退出，但父进程未调用 wait()。
• 占用 PID，过多会导致系统无法创建新进程。

解决：

• 在父进程中调用 wait()。
• 或者杀死父进程。

守护进程

• 运行在后台，脱离终端，常用于服务（如 sshd）。

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总结

本教程从内核与用户空间的区别讲起，详细介绍了 Linux 驱动开发的几个关键点：

• 内核与用户空间通信的多种方式；
• 字符设备驱动的基本框架与 file_operations；
• 主设备号、次设备号的作用；
• 内存映射与寄存器访问；
• 常见调试手段；
• 进程、线程、僵尸进程等基础操作系统知识。

学完本文，你已经能理解一个简单的字符驱动是如何工作的了。