「Linux」- 设备驱动 | Device Drivers

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构建

驱动开发方法

DeepSeek / Linux 驱动开发方法

现代 Linux 驱动开发是一个 “基于框架，填充回调函数” 的过程，核心在于理解内核提供的各种子系统、设备模型以及如何处理并发与硬件交互。

学习与实践路线图

  1. 基础准备：精通 C 语言，了解一些汇编和硬件知识。
  2. 从最简单的内核模块开始：编写一个 `Hello World` 模块，学习编译、加载、卸载。
  3. 学习字符设备驱动：创建一个虚拟的字符设备（如 mydev），实现 `open`, `read`, `write`，并在用户空间用 `cat`, `echo` 进行测试。
  4. 深入并发与同步：在你的虚拟设备中模拟资源竞争，并引入互斥锁来解决它。
  5. 学习中断处理：结合一个真实的硬件（如开发板上的一个按键）或模拟中断，实现顶半部和底半部。
  6. 掌握设备树：在一个嵌入式开发板上，将设备的硬件资源（如寄存器地址、中断号）从驱动代码中剥离，写入设备树文件（`.dts`）。
  7. 集成到特定框架：根据你的设备类型，选择一个合适的框架（如 I2C, SPI, Input 子系统等）进行实践。
  8. 阅读内核源码：大量阅读内核中已有驱动的源码，这是最好的学习资料。

推荐资源：

  • 书籍：《Linux Device Drivers》（LDD3，虽旧但经典），《Essential Linux Device Drivers》
  • 内核文档：`Documentation/driver-api/` 目录下的文档。
  • 源码：Linux 内核源码 `drivers/` 目录下的例子。

开发 Linux 驱动主要有以下几种模式，从易到难，从抽象到具体：

用户空间驱动

概念：并非真正的“内核驱动”，而是将驱动逻辑实现在用户空间的应用程序中，通过操作系统提供的接口（如 `/dev/mem`, `sysfs`, `userspace I/O`）来访问硬件。

性质：
  • 优点：开发调试简单（可以用 GDB），崩溃不会影响系统稳定性。
  • 缺点：性能差，无法处理硬件中断，访问硬件受限。

场景：
  • 对性能要求不高的简单设备。
  • 原型开发和学习阶段。
  • 不想或无法加载内核模块的环境。

内核模块

概念：将驱动编译成内核模块，其以 .ko 为扩展名。模块可以在系统运行时动态地加载到内核或从内核卸载，而无需重新编译整个内核或重启系统。这是最主流、最经典的驱动开发方式。

核心思想：驱动是内核的一部分

首先，必须理解，如果 Linux 驱动运行在内核空间，它与操作系统内核紧密绑定。这意味着：
  • 权限极高：驱动故障很可能导致整个系统崩溃（内核恐慌）。
  • 编程约束多：不能直接使用标准 C 库（如 `printf`，`malloc`），而必须使用内核提供的对应函数（如 `printk`, `kmalloc`）。
  • 并发考虑：内核是多任务环境，驱动必须设计为可重入的，并能正确处理多线程并发访问。

性质：
  • 优点：灵活、高效、功能完整，是生产环境的标准做法。
  • 缺点：开发调试复杂，错误可能导致内核崩溃。

开发流程：
  1. 编写模块代码：实现 `module_init` 和 `module_exit` 入口 / 出口函数。
  2. 编写 Makefile：使用内核的 Kbuild 系统来编译模块。
  3. 编译：`make` 命令生成 `.ko` 文件。
  4. 加载：`insmod module.ko` 或 `modprobe module`。
  5. 卸载：`rmmod module`。
  6. 查看：`lsmod` 查看已加载模块。

基于标准框架的开发

Linux 内核为各类设备提供了成熟的驱动框架和子系统。开发者不应直接“裸写”驱动，而应集成到这些框架中。这是现代 Linux 驱动开发最推荐和最主要的方法。

核心思想：“实现框架定义的接口，并向框架注册你的驱动”。

常见框架举例：
  • 字符设备框架：最常见的框架，用于不适合归类的设备（如传感器、LED、按键）。通过实现 `file_operations` 结构体，定义 `open`, `read`, `write`, `ioctl` 等操作。
  • 平台设备框架：用于片上系统（SoC）中的外设，这些设备通常没有传统意义上的总线（如 CPU 内部的 GPIO, I2C 控制器）。它分离了“驱动代码”和“设备资源（地址、中断号）”，通过设备树（Device Tree）进行描述。
  • PCI / USB 设备框架：用于标准的 PCI 和 USB 设备。驱动需要向 PCI/USB 子系统注册，并提供探测（`probe`）和断开（`disconnect`）函数。
  • 块设备框架：用于磁盘、SSD 等存储设备。
  • 网络设备框架：用于网卡。驱动需要填充 `net_device` 结构体，并处理数据包的发送和接收。

### 驱动开发关键技术要点

无论采用哪种框架，以下技术都是必须掌握的：

  1. 设备模型与 sysfs：理解 `kobject`, `kset`, `ktype` 如何在内核中组织成层次结构，并在用户空间的 /sys/ 下暴露设备信息，实现设备管理和热插拔。
  2. 设备树：在 ARM、PowerPC 等嵌入式系统中，用于取代冗长的硬件编码代码，以一种数据结构的形式来描述系统的硬件配置。驱动通过内核 API 从设备树中获取资源（内存地址、中断号）。
  3. 并发与同步：
    • 自旋锁：用于短时间内的锁定，特别在中断上下文中。
    • 互斥锁：用于可睡眠的上下文，保护较长时间的临界区。
    • 信号量 / 完成量：用于任务间的同步。
  4. 中断处理：
    • 顶半部：在中断上下文中快速执行，通常只做最紧急的工作（如读取状态寄存器），然后调度底半部。
    • 底半部：用于处理耗时的任务，通常通过任务队列、工作队列或软中断实现，可以在其中睡眠。
  5. 内存管理：
    • 使用 `kmalloc`, `vmalloc` 等内核函数分配内存。
    • 理解 DMA 和一致性内存映射，使用 `dma_alloc_coherent` 等函数。
  6. 内核调试：
    • `printk`：最基础的日志输出。
    • `dynamic debug`：动态调试。
    • `/proc/kcore` 和 `kgdb`：内核调试器（较复杂）。
    • `ftrace`, `perf`：性能分析工具。

应用

找到磁盘与 ATA 的对应关系

#!/bin/sh

ll /sys/class/ata_port/
ll /dev/disk/by-path

[WIP] Asking for cache data failed

What is a “Asking for cache data failed” warning? 

[913914.442594] sd 7:0:0:0: [sdd] Asking for cache data failed
[913914.442597] sd 7:0:0:0: [sdd] Assuming drive cache: write through