Linux设备驱动：编写与调试指南

一、Linux设备驱动基础

1. 设备驱动类型

• 字符设备：以字节流形式访问的设备（如键盘、鼠标）
• 块设备：以固定大小数据块访问的设备（如硬盘）
• 网络设备：处理网络通信的接口

2. 内核模块基础

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>

static int __init mydriver_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Driver loaded\n");
    return 0;
}

static void __exit mydriver_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Driver unloaded\n");
}

module_init(mydriver_init);
module_exit(mydriver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("Sample Linux Driver");

二、设备驱动编写

1. 字符设备驱动框架

#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>

static int mydriver_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    // 设备打开处理
    return 0;
}

static ssize_t mydriver_read(struct file *file, char __user *buf, 
                           size_t count, loff_t *ppos)
{
    // 读取设备数据
    return 0;
}

static ssize_t mydriver_write(struct file *file, const char __user *buf,
                            size_t count, loff_t *ppos)
{
    // 写入设备数据
    return count;
}

static struct file_operations mydriver_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = mydriver_open,
    .read = mydriver_read,
    .write = mydriver_write,
    // 其他操作...
};

static dev_t dev_num;
static struct cdev mydriver_cdev;

static int __init mydriver_init(void)
{
    // 分配设备号
    alloc_chrdev_region(&dev_num, 0, 1, "mydriver");

    // 初始化cdev结构
    cdev_init(&mydriver_cdev, &mydriver_fops);
    mydriver_cdev.owner = THIS_MODULE;

    // 添加cdev到系统
    cdev_add(&mydriver_cdev, dev_num, 1);

    return 0;
}

2. 与用户空间通信

ioctl接口实现

#include <linux/ioctl.h>

#define MYDRIVER_IOC_MAGIC 'k'
#define MYDRIVER_IOCTL_CMD1 _IO(MYDRIVER_IOC_MAGIC, 0)
#define MYDRIVER_IOCTL_CMD2 _IOR(MYDRIVER_IOC_MAGIC, 1, int)

static long mydriver_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    switch (cmd) {
    case MYDRIVER_IOCTL_CMD1:
        // 处理命令1
        break;
    case MYDRIVER_IOCTL_CMD2:
        // 处理命令2
        break;
    default:
        return -ENOTTY;
    }
    return 0;
}

proc文件系统接口

#include <linux/proc_fs.h>

static struct proc_dir_entry *proc_entry;

static int mydriver_proc_show(struct seq_file *m, void *v)
{
    seq_printf(m, "Driver information...\n");
    return 0;
}

static int mydriver_proc_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    return single_open(file, mydriver_proc_show, NULL);
}

static const struct file_operations mydriver_proc_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = mydriver_proc_open,
    .read = seq_read,
    .llseek = seq_lseek,
    .release = single_release,
};

// 在init函数中添加
proc_entry = proc_create("mydriver", 0, NULL, &mydriver_proc_fops);

三、驱动调试技术

1. 常用调试方法

1. printk - 内核日志输出

   printk(KERN_DEBUG "Debug message: value=%d\n", value);
   

2. 动态调试(dynamic debug)

   // 在代码中使用
   pr_debug("Debug message\n");
   
   // 运行时启用
   echo 'file mydriver.c +p' > /sys/kernel/debug/dynamic_debug/control
   

3. 内核Oops分析

   • 分析内核崩溃信息
   • 使用dmesg查看日志

2. 使用GDB调试内核模块

1. 编译时添加调试信息

   EXTRA_CFLAGS += -g
   

2. 加载符号表

   gdb vmlinux
   (gdb) add-symbol-file mydriver.ko 0xffffffffa0000000
   

3. 设置断点

   (gdb) b mydriver_init
   

3. 使用SystemTap进行动态跟踪

probe module("mydriver").function("mydriver_read") {
    printf("mydriver_read called\n");
    print_stack();
}

4. 使用Ftrace进行函数跟踪

# 启用函数跟踪
echo function > /sys/kernel/debug/tracing/current_tracer
echo mydriver_* > /sys/kernel/debug/tracing/set_ftrace_filter
echo 1 > /sys/kernel/debug/tracing/tracing_on

# 运行测试
# ...

# 查看跟踪结果
cat /sys/kernel/debug/tracing/trace

四、常见问题与解决方案

1. 驱动加载失败

• 检查依赖：modinfo mydriver.ko
• 查看日志：dmesg | tail
• 检查内核版本兼容性

2. 内存问题

• 内存泄漏：使用kmemleak工具检测
• 内存越界：使用KASAN内核配置检测

3. 并发问题

• 使用适当的锁机制：

  static DEFINE_SPINLOCK(my_lock);
  
  spin_lock(&my_lock);
  // 临界区代码
  spin_unlock(&my_lock);
  

4. 硬件访问问题

• 确保正确映射I/O内存： c void __iomem *regs = ioremap(phys_addr, size); iowrite32(value, regs + offset); iounmap(regs);

五、最佳实践

1. 代码规范：遵循内核编码风格（scripts/checkpatch.pl）
2. 错误处理：全面检查所有可能的错误条件
3. 资源管理：确保释放所有分配的资源
4. 文档：详细注释驱动接口和行为
5. 测试：编写全面的测试用例

六、进阶主题

1. 设备树(DTS)：现代Linux驱动使用设备树描述硬件
2. 电源管理：实现suspend/resume回调
3. DMA操作：高效数据传输
4. 中断处理：实现中断服务例程
5. 用户空间驱动：使用UIO框架

通过以上方法和工具，您可以有效地开发和调试Linux设备驱动程序。记住，驱动开发需要特别小心，因为错误可能导致系统不稳定或数据损坏。