LINUX设备驱动设计入门

深入浅出Linux设备驱动编程之引言

目前，Linux 软件工程师大致可分为两个层次：

（1）Linux 应用软件工程师（Application Software Engineer）：主要利用 C 库函数和 Linux API 进行应

用软件的编写；

（2）Linux 固件工程师（Firmware Engineer）：主要进行 Bootloader、Linux 的移植及 Linux 设备驱动

程序的设计。

一般而言，固件工程师的要求要高于应用软件工程师的层次，而其中的 Linux 设备驱动编程又是 Linux

程序设计中比较复杂的部分，究其原因，主要包括如下几个方面：

（1）设备驱动属于 Linux 内核的部分，编写 Linux 设备驱动需要有一定的 Linux 操作系统内核基础；

版到第 3 版，中文译本由中国电力出版社出版）。该书将 Linux 设备驱动编写技术进行了较系统的展现，

但是该书所列举实例的背景过于复杂，使得读者需要将过多的精力投放于对例子背景的理解上，很难完全

集中精力于 Linux 驱动程序本身。往往需要将此书翻来覆去地研读许多遍，才能有较深的体会。

（《Linux Device Drivers》中英文版封面）

本文将仍然秉承《Linux Device Drivers》一书以实例为主的风格，但是实例的背景将非常简单，以求

使读者能将集中精力于 Linux 设备驱动本身，理解 Linux 内核模块、Linux 设备驱动的结构、Linux 设备驱

动中的并发控制等内容。另外，与《Linux Device Drivers》所不同的是，针对设备驱动的实例，本文还给

出了用户态的程序来访问该设备，展现设备驱动的运行情况及用户态和内核态的交互。相信阅读完本文将

深入浅出Linux设备驱动编程之内核模块

Linux 设备驱动属于内核的一部分，Linux 内核的一个模块可以以两种方式被编译和加载：

（1）直接编译进 Linux 内核，随同 Linux 启动时加载；

（2）编译成一个可加载和删除的模块，使用 insmod 加载（modprobe 和 insmod 命令类似，但依赖于

相关的配置文件），rmmod 删除。这种方式控制了内核的大小，而模块一旦被插入内核，它就和内核其他

部分一样。

下面我们给出一个内核模块的例子：

#include <linux/module.h> //所有模块都需要的头文件

{

printk("Hello module exit\n");

}

module_exit(hello_exit);

分析上述程序，发现一个 Linux 内核模块需包含模块初始化和模块卸载函数，前者在 insmod 的时候运

着 Linux 内核源代码中 Include 目录的路径。

下列命令将可加载 hello 模块：

下列命令完成相反过程：

rmmod hello

如果要将其直接编译入 Linux 内核，则需要将源代码文件拷贝入 Linux 内核源代码的相应路径里，并修

改 Makefile。

我们有必要补充一下 Linux 内核编程的一些基本知识：

内存

在Linux 内核模式下，我们不能使用用户态的 malloc()和 free()函数申请和释放内存。进行内核编程时，

的）。

由于内核态和用户态使用不同的内存定义，所以二者之间不能直接访问对方的内存。而应该使用 Linux

中的用户和内核态内存交互函数（这些函数在 include/asm/uaccess.h 中被声明）：

unsigned long copy_from_user(void *to, const void *from, unsigned long n);

copy_from_user、copy_to_user 函数返回不能被复制的字节数，因此，如果完全复制成功，返回值为 0。

include/asm/uaccess.h 中定义的 put_user 和 get_user 用于内核空间和用户空间的单值交互（如 char、int、

这里给出的仅仅是关于内核中内存管理的皮毛，关于 Linux 内存管理的更多细节知识，我们会在本文

第 9 节《内存与 I/O 操作》进行更加深入地介绍。

话，消息就会打印到控制台上。如果 syslogd 和 klogd 守护进程在运行的话，则不管是否向控制台输出，消

序。

模块参数

2.4 内核下，include/linux/module.h 中定义的宏 MODULE_PARM(var,type) 用于向模块传递命令行参数。var

为接受参数值的变量名，type 为采取如下格式的字符串[min[-max]]{b,h,i,l,s}。min 及 max 用于表示当参数

为数组类型时，允许输入的数组元素的个数范围；b：byte；h：short；i：int；l：long；s：string。

在装载内核模块时，用户可以向模块传递一些参数：

insmod modname var=value

如果用户未指定参数，var 将使用模块内定义的缺省值。

global_var，而这个设备的名字叫做"gobalvar" 。对"gobalvar"设备的读写等操作即是对其中全局变量

global_var 的操作。

驱动程序是内核的一部分，因此我们需要给其添加模块初始化函数，该函数用来完成对所控设备的初

始化工作，并调用 register_chrdev() 函数注册字符设备：

{

if (register_chrdev(MAJOR_NUM, " gobalvar ", &gobalvar_fops))

{

//…注册失败

其中，register_chrdev 函数中的参数 MAJOR_NUM 为主设备号,"gobalvar"为设备名，gobalvar_fops 为

包含基本函数入口点的结构体，类型为 file_operations。当 gobalvar 模块被加载时，gobalvar_init 被执行，

它将调用内核函数 register_chrdev，把驱动程序的基本入口点指针存放在内核的字符设备地址表中，在用户

进程对该设备执行系统调用时提供入口地址。

与模块初始化函数对应的就是模块卸载函数，需要调用 register_chrdev()的"反函数" unregister_chrdev()：

static void __exit gobalvar_exit(void)

{

if (unregister_chrdev(MAJOR_NUM, " gobalvar "))

{

}

随着内核不断增加新的功能，file_operations 结构体已逐渐变得越来越大，但是大多数的驱动程序只是

利用了其中的一部分。对于字符设备来说，要提供的主要入口有：open ()、release ()、read ()、write ()、ioctl

open()函数 对设备特殊文件进行 open()系统调用时，将调用驱动程序的 open () 函数：

int (*open)(struct inode * ,struct file *);

其中参数 inode 为设备特殊文件的 inode (索引结点) 结构的指针，参数 file 是指向这一设备的文件结构