一、驱动工程搭建
1、用户应用编程 VS 内核驱动编程差异
应用程序：运行在用户空间；
驱动：属于内核级别编程，代码属于操作系统内核一部分。
- 核心问题：如何在已经运行的大型内核代码中插入、执行我们自己的代码；
- 驱动本质最终还是操作寄存器，原理和裸机一致；区别是内核下要做物理地址→虚拟地址映射。
2、驱动两种加载方式
方式 1：静态编译进内核
- 编写驱动
.c源码； - 修改
Kconfig、Makefile； make menuconfig勾选驱动，<*代表编译进 zImage；- 驱动代码被打包进 zImage 镜像，zImage 体积变大；
- 必须重新烧写内核、重启开发板，驱动才能生效。
方式 2：动态模块 ko（推荐调试使用）
- 编写驱动
.c源码； - 修改 Makefile，
obj‑m += xxx.o，执行make modules生成.ko模块文件； - ko 独立于 zImage 镜像，不修改内核镜像；
- 开发板 Linux 运行后手动加载卸载：
insmod xxx.ko：加载内核模块
lsmod：查看已经加载的内核模块
rmmod xxx：卸载内核模块
优点：不需要重启板子，调试效率高。
3、内核模块基础宏
| 宏 | 功能说明 |
|---|---|
module_init(func) | 模块加载入口函数，insmod 的时候执行 |
module_exit(func) | 模块卸载入口函数，rmmod 的时候执行 |
MODULE_LICENSE("GPL") | 许可证声明，必须写，否则内核报警告，部分接口不可用 |
printk() | 内核打印函数，代替应用层 printf，不能打印浮点数 |
pr_info(fmt,...) | 带日志等级的打印，普通提示信息 |
pr_err(fmt,...) | 带日志等级的打印，打印错误信息 |
#include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/printk.h> static int __init mymodule_init(void) { pr_info("mymodule_init ok\n"); return 0; } static void __exit mymodule_exit(void) { pr_info("mymodule_exit byebye\n"); } module_init(mymodule_init); module_exit(mymodule_exit); MODULE_LICENSE("GPL");4、两种工程组织方式
① 放在内核源码树内部开发（drivers 目录下新增驱动）
步骤：
- 在
drivers/char新建mydevtest.c驱动源码； - 修改同目录
Kconfig，添加配置项
config MYMODULE tristate "mymodule inner kernel test" default y help driver test kconfig makefile- 修改同目录
Makefile：obj‑$(CONFIG_MYMODULE) += myhello.o make menuconfig选中对应模块；make modules生成 ko；- 将 ko 拷贝到 nfs 的 rootfs 目录，开发板 insmod 加载测试。
Kconfig：控制 menuconfig 图形配置界面；Makefile 根据 CONFIG_xxx 变量决定是否编译文件。
② 源码树外部独立工程（实际项目推荐）
不改动内核源码，驱动工程和内核源码分开放。 目录结构示例
├── app # 用户应用程序 │ ├── app.c │ └── Makefile ├── drv # 内核驱动代码 │ ├── .clangd │ ├── compile_commands.json #软链接指向内核源码生成的该文件，用于vscode代码补全 │ ├── drv.c │ └── Makefile └── Makefile #顶层总Makefiledrv/Makefile示例
MODULE_NAME:= drv KER_DIR := /home/linux/imx6ull/linux‑imx‑rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek CUR_DIR := $(shell pwd) obj‑m += $(MODULE_NAME).o all: make -C $(KER_DIR) M=$(CUR_DIR) modules cp $(MODULE_NAME).ko ~/nfs/rootfs clean: make -C $(KER_DIR) M=$(CUR_DIR) clean distclean: rm $(MODULE_NAME).ko make -C $(KER_DIR) M=$(CUR_DIR) distcleanapp/Makefile示例
SRC:=app.c OBJ:=app CC:=arm‑linux‑gnueabihf‑gcc all: $(CC) $(SRC) -o $(OBJ) clean: rm $(OBJ)顶层 Makefile
all: make -C ./app all make -C ./drv all clean: make -C ./app clean make -C ./drv clean前置条件：内核源码必须完整编译过一次，外部模块编译依赖内核编译产物。
5、字符设备驱动基础框架
Linux 驱动三大分类
（1）字符设备：按字节流顺序读写；GPIO、I2C、SPI、UART、LED、按键、LCD、摄像头；占驱动 95% 以上；
（2）块设备：按块读写；SD、EMMC、Flash 存储设备；随机访问，吞吐量大；
（3）网络设备：wifi、蓝牙、CAN。
字符设备开发步骤
1）alloc_chrdev_region()：动态分配设备号（推荐）；register_chrdev_region()静态注册已知设备号；
2）cdev_alloc()/cdev_init()：初始化字符设备结构体，绑定file_operations；
3）cdev_add()：将字符设备注册进内核；
4）file_operations结构体：实现open/read/write/release，用户态系统调用最终会回调这些内核函数；
5）点两种方创建设备节式
- 手动：
mknod /dev/led0 c 主设备号 次设备号 - 自动：
class_create()+device_create()，sysfs 自动生成 /dev 设备文件；
6）卸载的时候依次执行cdev_del()、unregister_chrdev_region()、device_destroy()、class_destroy()。
| 字符设备 API | 功能 |
|---|---|
cdev_init | 初始化 cdev 结构体，绑定 file_operations |
cdev_alloc | 动态申请 cdev 结构体内存 |
cdev_add | 把 cdev 注册到内核，驱动正式生效 |
cdev_del | 从内核删除 cdev 设备 |
alloc_chrdev_region | 动态分配主次设备号 |
unregister_chrdev_region | 释放已经注册的设备号 |
/proc/devices可以查看系统所有已经注册的字符设备主设备号。
file_operations 说明
应用层调用 open/read/write/close，内核就会调用驱动中file_operations对应的函数指针。
6、sysfs 虚拟文件系统
sysfs 是内存虚拟文件系统，不占用磁盘存储，挂载在/sys。
sysfs 重要目录
| 目录 | 作用 |
|---|---|
/sys/devices | 真实物理设备 |
/sys/bus | 总线，devices 子目录存放设备，drivers 存放对应驱动 |
/sys/class | 设备分类，按设备类型分组（tty、led、input 等） |
/sys/module | 已经加载的内核模块 |
驱动中使用 sysfs：
class_create()：创建设备类；device_create()：创建设备，自动生成/dev/xxx节点；__ATTR宏定义设备属性；device_create_file()创建 sys 属性文件；- 用户空间直接
cat /sys/xxx/xxx读，echo value > /sys/xxx/xxx写，用于调试硬件，不用写专门应用程序。
注意：内核属性文件权限不能设置 0666，只能使用 0664。
show函数返回读取字符串长度；store函数必须返回传入数据长度，否则应用层会阻塞。
相关 API
| 函数 | 功能 |
|---|---|
class_create | 创建设备类目录 |
class_destroy | 销毁设备类 |
device_create | 创建设备，自动生成 /dev 节点 |
device_destroy | 销毁设备 |
__ATTR | 初始化设备属性结构体 |
device_create_file | 生成 sys 属性文件 |
device_remove_file | 删除 sys 属性文件 |
7、misc 杂项设备（主设备号固定 10）
属于字符设备的简化封装，主设备号固定为 10，自动分配次设备号，自动创建设备节点。
可以省去
alloc_chrdev_region、cdev_init、cdev_add、手动 mknod、class/device 的部分代码。
| misc API | 功能 |
|---|---|
misc_register() | 注册杂项设备 |
misc_deregister() | 注销杂项设备 |
二、LED 灯驱动知识点
1、硬件原理图要点
LED：低电平点亮，高电平熄灭；串联 510Ω 限流电阻。 引脚：LED0 接到 GPIO1_IO03。
2、裸机操作需要的寄存器
- IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_GPIO1_IO03：引脚复用功能寄存器；
- IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_GPIO1_IO03：引脚电气特性配置；
- GPIO1_DR：GPIO 数据寄存器；写 0 输出低电平，写 1 输出高电平；
- GPIO1_GDIR：GPIO 方向寄存器；bit 置 1 配置输出模式。
⚠️内核中不能直接操作物理寄存器地址！必须做物理地址→虚拟地址映射。
3、内存映射相关 API（内核访问硬件寄存器）
头文件：#include <linux/io.h>
| 函数 | 功能说明 |
|---|---|
ioremap(phys, size) | 把物理地址映射成内核虚拟地址，返回虚拟地址指针 |
iounmap(virt_addr) | 解除映射 |
devm_ioremap(phys,size) | 资源托管映射；设备卸载驱动自动 iounmap 释放，推荐优先使用，防止内存泄漏 |
devm_ioremap_resource() | 检查资源冲突，设备树驱动优先使用 |
寄存器读写函数（32 位 SOC，imx6ull 寄存器都是 32bit）
readl(addr)：读取 32 位寄存器；writel(value, addr)：写 32 位寄存器。
4、用户空间 ↔ 内核空间数据拷贝
驱动 read/write 函数中，不能直接解引用用户空间指针，必须使用专用拷贝函数。
copy_from_user(kbuf, ubuf, size)用户空间数据拷贝到内核空间
copy_to_user(ubuf, kbuf, size)内核空间数据拷贝到用户空间
5、两套 LED 驱动实现思路
思路 1：直接硬编码寄存器地址（不使用设备树）
- ioremap 映射 4 个寄存器物理地址得到虚拟地址；
- writel 配置引脚复用、PAD 电气属性；
- writel 设置 GPIO 方向为输出；
- writel 写 DR 寄存器控制输出高低电平，实现 LED 亮灭；
- 在 file_operations 的 write 函数接收用户层传进来的亮灭值，操作寄存器；
- 模块 exit 中 iounmap 释放映射。
缺点：硬件换板子，寄存器地址变了，驱动代码必须修改，可移植性差。
思路 2：设备树方式 LED 驱动（工程实际推荐，设备与驱动分离）
Linux3.x 之后引入设备树思想：硬件资源（寄存器、引脚、中断）写在 dts 设备树，驱动写通用逻辑；换硬件只改 dts，不用修改驱动 c 代码。
设备树相关文件后缀
| 后缀 | 含义 |
|---|---|
.dts | 板级设备树，对应开发板硬件配置 |
.dtsi | 公共头文件，多个 dts 可以 include 引用 |
.dtb | DTC 工具编译 dts/dtsi 得到的二进制，uboot 加载传递给内核 |
6、编译与测试完整流程
- 修改 dts，配置 led 节点（pinctrl+gpio）；
- 编译 dtb，放到 tftpboot；
- 编写驱动 c 代码，使用外部 Makefile 编译生成 ko；
- ko 拷贝到 nfs 共享 rootfs；
- 开发板网络启动，
insmod led_drv.ko加载驱动 - 测试方式二选一
- 应用程序 open /dev/xxx，write 写 1/0 控制亮灭；
- sysfs 节点：
echo 1 > /sys/devices/virtual/LED/led0/led_state；cat /sys/devices/virtual/LED/led0/led_state；
rmmod led_drv卸载驱动。
