Linux中如何编写设备驱动程序？

Linux驱动程序是内核与硬件设备之间的桥梁，负责抽象硬件操作细节，为应用程序提供统一的接口，编写Linux驱动程序需要深入理解内核机制，遵循特定的开发规范和流程,以下是详细的开发步骤和关键要点。

开发驱动程序前需准备环境：首先确定目标内核版本，安装对应版本的内核头文件（如linux-headers-generic）和开发工具链（gcc、make等）；确保内核支持可加载模块，通过uname -r检查当前内核版本，并配置内核开启模块支持（CONFIG_MODULES=y），驱动程序通常以内核模块形式编写，后缀为.ko，支持动态加载和卸载,无需重新编译整个内核。

驱动程序的核心结构包括模块初始化和退出函数、设备操作接口、资源管理，模块初始化函数通过module_init宏定义，在加载模块时执行，主要完成硬件资源申请（如内存、中断、GPIO）、设备注册（如字符设备注册register_chrdev）等工作；模块退出函数通过module_exit宏定义，在卸载模块时执行，负责释放资源（kfree）、注销设备（unregister_chrdev）等操作，字符设备是最常见的驱动类型，需定义file_operations结构体，实现open、read、write、release等函数指针,这些函数是应用程序访问设备的入口。

设备注册流程通常包括三步：调用register_chrdev注册字符设备号（动态分配可用号或静态指定号），创建设备类（class_create）以便udev自动创建设备节点，通过device_create在/dev目录下生成设备文件（如/dev/my_driver），设备号分为 major（主设备号）和 minor（次设备号），主设备号标识设备类型,次设备号区分同一类型的多个设备。

驱动程序的编译需要编写Makefile，基本格式为：obj-m += my_driver.o，表示编译为模块；若源文件复杂，可拆分为多个目标文件，通过my_driver-objs := file1.o file2.o指定，编译命令为make -C /lib/modules/$(uname -r)/build M=$(pwd) modules，其中-C参数切换到内核源码目录，M=$(pwd)指定当前驱动源码目录，加载模块使用insmod ./my_driver.ko或modprobe my_driver（推荐后者，可处理依赖），卸载用rmmod my_driver，可通过lsmod查看已加载模块。

调试是驱动开发的关键环节，常用printk输出调试信息，通过dmesg -w实时查看内核日志，日志级别（如KERN_INFO、KERN_ERR）可过滤信息，若涉及硬件交互，需使用逻辑分析仪或示波器检查信号时序；并发访问场景下，需通过互斥锁（mutex）或自旋锁（spinlock）保护共享资源，避免竞态条件；内存分配需注意GFP_KERNEL（可睡眠）和GFP_ATOMIC（中断上下文）的区别,防止死锁。

file_operations中的常用函数指针	参数说明	返回值	作用
open	struct inode inode, struct file filp	int (0成功，负数失败)	打开设备，初始化硬件状态
read	char __user buf, size_t count, loff_t f_pos	ssize_t (读取字节数)	从硬件读取数据到用户空间
write	const char __user buf, size_t count, loff_t f_pos	ssize_t (写入字节数)	从用户空间写入数据到硬件
release	struct inode inode, struct file filp	int (0成功，负数失败)	关闭设备，释放资源
ioctl	unsigned int cmd, unsigned long arg	int (0成功，负数失败)	控制设备，执行硬件特定命令

开发时需注意权限管理，通过device_create的mode参数设置设备节点权限（如0666表示所有用户可读写）；硬件资源（如中断号、内存地址）需检查冲突，避免与系统其他设备抢占；模块加载时需验证硬件是否存在，防止无效操作，驱动程序应遵循GPL协议，开源驱动需在模块声明中指定MODULE_LICENSE("GPL"),否则可能引发内核警告。

FAQs

驱动程序和应用程序的主要区别是什么？
驱动程序运行在内核空间，可直接访问硬件资源（如内存、寄存器、中断），权限高但稳定性要求严格（崩溃会导致整个系统）；应用程序运行在用户空间，通过系统调用（如open、read）访问硬件，安全性高（错误不会影响内核）,但无法直接操作硬件底层。
驱动程序加载失败时如何排查问题？
首先通过dmesg | tail查看内核日志，定位错误信息（如设备号冲突、资源申请失败）；检查/proc/modules确认模块是否加载；若涉及硬件，验证设备是否被识别（如lspci查看PCI设备）；确认Makefile编译正确，内核版本与头文件匹配,模块依赖是否满足。