第二章：Linux内核基础与驱动模型

好，咱们开始聊内核。说实话，很多初学者一听到「Linux内核」四个字就发怵。我当年也一样，觉得那是大神才碰的东西。但后来我发现，其实内核没那么神秘——它就是个管理硬件资源的操作系统核心。你写的驱动，说白了就是内核和硬件之间的翻译官。

2.1 Linux内核源码结构

先看看内核源码长什么样。你从 kernel.org 下载一份源码，解压后能看到这些目录：

目录 作用
arch/ 架构相关代码，比如arm64、x86。麒麟芯片属于arm64
drivers/ 驱动代码的大本营。我们主要在这里干活
fs/ 文件系统实现，ext4、procfs都在这里
include/ 头文件，驱动开发常用的API声明都在这里
kernel/ 核心调度、进程管理
mm/ 内存管理
net/ 网络协议栈
Documentation/ 文档，我建议你多翻翻

我个人习惯，拿到一个新内核版本，先看 arch/arm64/ 和 drivers/ 这两个目录。为什么？因为麒麟芯片是ARM架构，驱动代码基本都塞在drivers里。你想想看，如果连硬件平台相关的代码在哪都不知道，后面怎么调试？

小技巧： 我刚开始看内核源码时，总想一口气读完。后来发现根本不可能。我的建议是——带着问题看。比如你想写一个I2C驱动，那就直接去 drivers/i2c/ 目录下找类似芯片的代码，边看边学。

2.2 内核模块编程——Hello World

驱动开发的第一课，永远是写一个内核模块。说白了，内核模块就是一段可以在运行时加载到内核的代码，不用重新编译整个内核。这在调试驱动时太方便了。

来看一个最简单的例子：

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

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello, Kirin 芯片驱动世界!\n");
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "模块卸载，再见!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("你的名字");
MODULE_DESCRIPTION("一个简单的Hello模块");

嗯，这里要注意几个点：

  • __init 和 __exit 是内核的宏，告诉内核这些函数只在初始化或卸载时使用，用完后可以释放内存
  • printk 是内核版的printf，输出到内核日志。我在项目中经常用它来调试，但正式代码里要慎用
  • MODULE_LICENSE("GPL") 必须写，否则内核会报「tainted」警告

编译这个模块需要Makefile：

obj-m := hello.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)

all:
    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
    $(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

然后执行 make，生成 hello.ko。用 insmod hello.ko 加载，rmmod hello 卸载。用 dmesg 看输出。

我曾经踩过的坑： 有一次我忘了写 MODULE_LICENSE("GPL")，结果模块加载时内核直接报错，说模块污染了内核。查了半天才发现是许可证问题。所以，记得加上。

2.3 字符设备驱动框架

字符设备是驱动开发中最基础的一类。什么是字符设备？就是像串口、LED、按键这种，按字节流读写数据的设备。我当年在麒麟芯片上调试第一个GPIO驱动，用的就是字符设备框架。

核心结构体是 struct file_operations，它定义了设备支持的操作：

static struct file_operations my_fops = {
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = my_open,
    .release = my_release,
    .read    = my_read,
    .write   = my_write,
};

注册字符设备的流程大概是：

  1. 调用 alloc_chrdev_region() 分配设备号
  2. 调用 cdev_init() 初始化cdev结构体
  3. 调用 cdev_add() 添加到内核
  4. 创建设备类并在 /dev/ 下生成节点

说白了，就是告诉内核：「嘿，这个设备号归我管，用户程序读写它时，调用我写的这些函数。」

核心要点： 字符设备驱动的本质，就是实现 file_operations 里的回调函数。你写的 read() 函数，就是用户调用 read(fd, buf, size) 时内核真正执行的代码。

2.4 platform驱动模型

platform驱动模型，是Linux内核为了解决「设备怎么和驱动配对」这个问题而设计的。你想想看，在PC上，设备是PCI插槽插上去的，系统能自动枚举。但在嵌入式系统里，很多设备是直接焊在板子上的，没有自发现能力。怎么办？

答案就是：用platform_device来描述设备，用platform_driver来描述驱动。内核通过名字匹配，把两者绑在一起。

一个典型的platform驱动长这样：

static struct platform_driver my_driver = {
    .probe  = my_probe,
    .remove = my_remove,
    .driver = {
        .name = "my_device",
        .of_match_table = my_of_match,
    },
};

module_platform_driver(my_driver);

当内核发现一个名字叫 my_device 的platform设备时，就会调用 my_probe 函数。我在麒麟芯片上调试I2C控制器驱动时，用的就是这套机制。probe函数里做硬件初始化、注册中断、创建字符设备等操作。

我的经验： 写platform驱动时，一定要把 probe 和 remove 函数写干净。probe里申请的资源，remove里要全部释放。否则模块卸载时系统可能崩溃。

2.5 设备树（Device Tree）基础

设备树，简称DT。它是用来描述硬件信息的。为什么需要它？因为ARM架构不像x86那样有ACPI来自动发现硬件。以前的做法是把硬件信息硬编码在板级文件里，结果每个板子都要改内核代码，太痛苦了。

设备树用 .dts 文件描述硬件，编译成 .dtb 文件，内核启动时解析它。举个例子：

/ {
    model = "Kirin 开发板";
    compatible = "hisilicon,kirin";

    uart0: serial@ff000000 {
        compatible = "hisilicon,kirin-uart";
        reg = <0x0 0xff000000 0x0 0x1000>;
        interrupts = <0 38 4>;
        clock-frequency = <19200000>;
    };
};

这里描述了一个UART控制器：

  • compatible：驱动匹配的关键字，驱动里也要写一样的字符串
  • reg：寄存器基地址和大小
  • interrupts：中断号、触发类型
  • clock-frequency：时钟频率，自定义属性

在驱动里，通过 of_match_table 来匹配设备树节点：

static const struct of_device_id my_of_match[] = {
    { .compatible = "hisilicon,kirin-uart" },
    { /* 结束标记 */ },
};
注意： 设备树里的 reg 地址，一定要和芯片手册里的一致。我曾经因为看错地址，把UART的基地址写成了0xff000001，结果驱动死活不工作。查了两天才发现是地址对齐问题。

好了，这一章的内容就这些。内核源码结构让你知道去哪找代码，内核模块让你能动态加载驱动，字符设备框架是驱动的基础模板，platform模型解决了设备驱动配对问题，设备树让硬件描述和驱动代码分离。这些知识点，你在麒麟芯片驱动开发中会反复用到。

下一章，我们聊内存管理和中断处理——这两个是驱动开发里最容易出bug的地方。到时候我会分享一些我在项目中遇到的「血泪史」。

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