動(dòng)實(shí)驗(yàn)：設(shè)備號(hào)分配與cdev結(jié)構(gòu)體全流程解析)
做 ARM Linux 驅(qū)動(dòng)繞不開一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)LED。這些年在網(wǎng)上能翻到的教程一大半還在用老版register_chrdevmknod那套寫法放到 Ubuntu20.04 的新內(nèi)核上要么編譯報(bào)錯(cuò)要么加載后行為不對勁。標(biāo)題里提到的“新版 LED 驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)原理”和“設(shè)備號(hào)分配 cdev 結(jié)構(gòu)體全流程”其實(shí)點(diǎn)出了新舊兩套框架最本質(zhì)的差異新版把一個(gè)黑盒拆成了幾個(gè)顯式步驟每一步都讓你自己控制、自己釋放。這篇文章就照著 Ubuntu20.04 環(huán)境把從設(shè)備號(hào)申請到 cdev 注冊、再到/dev/led節(jié)點(diǎn)自動(dòng)出現(xiàn)的完整鏈路走一遍順帶把我在調(diào)試中踩過的坑填給你適合剛從 2.6/3.x 老代碼切過來、或者準(zhǔn)備正經(jīng)寫字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)者參考。1. 從“一鍵打包”到“全流程拆解”新版 LED 驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的框架差異1.1 老版 register_chrdev 到底封裝了什么早期驅(qū)動(dòng)里最常見的一段代碼是這樣的ret register_chrdev(major, led, led_fops);如果major傳 0內(nèi)核會(huì)替你動(dòng)態(tài)分配一個(gè)主設(shè)備號(hào)如果傳一個(gè)固定值那就把該主設(shè)備號(hào)占下來?？粗∈碌@個(gè)函數(shù)內(nèi)部做的事情遠(yuǎn)比表面多它會(huì)申請一段設(shè)備號(hào)區(qū)間、初始化一個(gè)cdev結(jié)構(gòu)體、把file_operations掛上去并且一下就占滿 256 個(gè)次設(shè)備號(hào)。問題也隨之而來。第一你無法精細(xì)管理次設(shè)備號(hào)比如一個(gè)驅(qū)動(dòng)要控制 8 個(gè) LED你想讓每個(gè) LED 各占一個(gè)次設(shè)備號(hào)老接口根本表達(dá)不出這種意圖它默認(rèn)把所有次設(shè)備號(hào)都包圓了。第二主設(shè)備號(hào)沖突極難排查內(nèi)核只在申請失敗時(shí)返回一個(gè)錯(cuò)誤碼不會(huì)告訴你是誰占用了這個(gè)號(hào)你得自己去翻/proc/devices。第三也是最讓新手難受的一點(diǎn)設(shè)備節(jié)點(diǎn)不會(huì)自己出現(xiàn)。老教程會(huì)教你在加載后用mknod /dev/led c major 0手動(dòng)建節(jié)點(diǎn)而現(xiàn)代發(fā)行版的/dev由 devtmpfs/udev 管理手動(dòng)mknod出來的節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)重啟后就會(huì)消失權(quán)限也經(jīng)常不對。這并不是說register_chrdev不能用了它在 5.x 內(nèi)核里依然作為兼容接口存在但新代碼再走這條路等于放棄了內(nèi)核提供的大量資源管理能力。新版驅(qū)動(dòng)把流程拆成我們下面要講的“設(shè)備號(hào)分配 → cdev 注冊 → 設(shè)備節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建”三段讓每一步都可控、可回滾、可排查。1.2 新版全流程每個(gè)環(huán)節(jié)各管一攤新版 LED 驅(qū)動(dòng)在module_init里要按順序做四件事分配設(shè)備號(hào)alloc_chrdev_region或register_chrdev_region初始化并添加cdevcdev_initcdev_add創(chuàng)建 classclass_create創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)device_create。對應(yīng)在module_exit里清理順序嚴(yán)格反著來先銷毀設(shè)備節(jié)點(diǎn)再銷毀 class然后移除 cdev最后釋放設(shè)備號(hào)。我經(jīng)常跟新人講這段順序不是隨便定的它對應(yīng)的是資源依賴關(guān)系device_create依賴 class 存在cdev 依賴設(shè)備號(hào)存在所以你銷毀的時(shí)候必須從最上層開始一層層拆先斷掉用戶可見的入口再回收內(nèi)核資源。我用一個(gè)生活類比來理解這套模型設(shè)備號(hào)是房子的門牌號(hào)cdev是房子里擺好的辦公桌file_operations是桌上貼著的工作流程說明而/dev/led這個(gè)節(jié)點(diǎn)則是門口掛的招牌。沒有門牌號(hào)辦公桌不知道掛靠在哪沒有辦公桌客人來了沒人接待沒有招牌用戶根本不知道有這個(gè)房間。新版驅(qū)動(dòng)把這三件事一步步做每一步失敗都能立刻定位到是哪塊出了問題。2. 設(shè)備號(hào)分配alloc_chrdev_region 和 register_chrdev_region 怎么選2.1 dev_t 與 MKDEV/MAJOR/MINOR 的編碼規(guī)則設(shè)備號(hào)在內(nèi)核里是一個(gè)dev_t類型本質(zhì)是個(gè) 32 位無符號(hào)整數(shù)。高 12 位是主設(shè)備號(hào)低 20 位是次設(shè)備號(hào)。主設(shè)備號(hào)用來區(qū)分設(shè)備類型和對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)次設(shè)備號(hào)用來區(qū)分同一驅(qū)動(dòng)下的多個(gè)實(shí)例。直接位運(yùn)算容易出錯(cuò)內(nèi)核提供了現(xiàn)成宏#include linux/kdev_t.h dev_t devno MKDEV(240, 0); // 主設(shè)備號(hào) 240次設(shè)備號(hào) 0 int major MAJOR(devno); // 取出主設(shè)備號(hào) int minor MINOR(devno); // 取出次設(shè)備號(hào)主設(shè)備號(hào)在 5.x 內(nèi)核里可用于注冊的范圍大約到 511實(shí)際分配時(shí)建議別手寫固定值除非你有明確理由。次設(shè)備號(hào)的 20 位空間足夠讓一個(gè)主設(shè)備掛幾百萬個(gè)同類型設(shè)備所以驅(qū)動(dòng)里通常一個(gè)主設(shè)備號(hào)配合多個(gè)次設(shè)備號(hào)使用。我在調(diào)試時(shí)候的習(xí)慣是先把MAJOR(devno)和MINOR(devno)打出來看確認(rèn)設(shè)備號(hào)確實(shí)拿到了再進(jìn)行下一步。這一步出錯(cuò)后面所有工作都白做。2.2 兩種分配函數(shù)的適用場景設(shè)備號(hào)分配有兩個(gè) API很多新手搞不清區(qū)別其實(shí)看名字就夠直白函數(shù)傳入?yún)?shù)特點(diǎn)適用場景風(fēng)險(xiǎn)register_chrdev_region(dev_t first, unsigned count, const char *name)需要手動(dòng)構(gòu)造first即指定起始設(shè)備號(hào)調(diào)試時(shí)固定設(shè)備號(hào)、產(chǎn)品有明確主設(shè)備號(hào)約定可能與其他驅(qū)動(dòng)沖突加載失敗alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned firstminor, unsigned count, const char *name)內(nèi)核自動(dòng)分配結(jié)果寫入指針產(chǎn)品代碼、避免手工管理設(shè)備號(hào)每次加載主設(shè)備號(hào)可能不同如果你想固定主設(shè)備號(hào)代碼這么寫static int major 240; dev_t devno; devno MKDEV(major, 0); ret register_chrdev_region(devno, 1, led); if (ret 0) { pr_err(failed to register chrdev region\n); return ret; }如果讓內(nèi)核動(dòng)態(tài)分配dev_t devno; ret alloc_chrdev_region(devno, 0, 1, led); if (ret 0) { pr_err(failed to alloc chrdev region\n); return ret; } major MAJOR(devno); pr_info(led major %d, minor %d\n, major, MINOR(devno));我在實(shí)際項(xiàng)目里強(qiáng)烈推薦第二種原因很現(xiàn)實(shí)你永遠(yuǎn)不知道目標(biāo)板子上哪些主設(shè)備號(hào)已經(jīng)被其他驅(qū)動(dòng)占了。動(dòng)態(tài)分配把“找空號(hào)”這件事交給內(nèi)核沖突概率降到最低。調(diào)試階段為了復(fù)現(xiàn)問題可以加一個(gè)模塊參數(shù)允許手動(dòng)指定主設(shè)備號(hào)0 表示動(dòng)態(tài)分配。static int major 0; module_param(major, int, 0644); if (major) { devno MKDEV(major, 0); ret register_chrdev_region(devno, 1, led); } else { ret alloc_chrdev_region(devno, 0, 1, led); }這樣insmod led.ko默認(rèn)動(dòng)態(tài)分配insmod led.ko major241則固定為 241調(diào)試和產(chǎn)品兩不誤。2.3 設(shè)備號(hào)釋放與常見沖突排查設(shè)備號(hào)屬于內(nèi)核全局資源用完了必須還回去。釋放函數(shù)只有配套的unregister_chrdev_region(devno, count)一個(gè)放在module_exit的最后一步執(zhí)行。我在代碼審查時(shí)見過不少新手把unregister_chrdev_region放在cdev_del之前當(dāng)時(shí)看不出問題但設(shè)備文件還開著的時(shí)候內(nèi)核按設(shè)備號(hào)找不到對應(yīng)的cdev系統(tǒng)日志里就會(huì)冒出一些奇怪的錯(cuò)誤。排查設(shè)備號(hào)沖突最直接的辦法是加載前先看一眼cat /proc/devices這個(gè)文件列出當(dāng)前已經(jīng)注冊的字符設(shè)備和塊設(shè)備的設(shè)備號(hào)與名稱。如果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)主設(shè)備號(hào)已經(jīng)在列表里那就別硬搶。還有一招是用grep過濾cat /proc/devices | grep led如果日志出現(xiàn)register_chrdev_region: ... already in use之類的提示多半就是主設(shè)備號(hào)撞車了。3. cdev 結(jié)構(gòu)體如何把 file_operations 掛到設(shè)備號(hào)上3.1 struct cdev 的關(guān)鍵成員與初始化設(shè)備號(hào)只是給設(shè)備發(fā)了一張“身份證”真正讓這張身份證生效的是cdev。內(nèi)核源碼里的定義大致如下struct cdev { struct kobject kobj; struct module *owner; const struct file_operations *ops; dev_t dev; unsigned int count; };四個(gè)關(guān)鍵成員各有用處kobj讓cdev成為內(nèi)核對象模型的一員可以被引用計(jì)數(shù)管理owner通常寫成THIS_MODULE保證設(shè)備正被使用時(shí)模塊不能被卸載ops掛載文件操作函數(shù)集是業(yè)務(wù)核心dev記錄它對應(yīng)的設(shè)備號(hào)count表示占用了多少個(gè)次設(shè)備號(hào)。初始化有兩種方式。一種是在文件作用域直接放一個(gè)struct cdevstatic struct cdev led_cdev; cdev_init(led_cdev, led_fops);另一種先用cdev_alloc()動(dòng)態(tài)分配再cdev_init()。對于 LED 這種單實(shí)例驅(qū)動(dòng)我建議用靜態(tài)方式少一次動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理就少一類內(nèi)存泄漏隱患多實(shí)例場景再用動(dòng)態(tài)方式按需創(chuàng)建。初始化完成后led_cdev.owner THIS_MODULE這行也別忘了否則模塊卸載時(shí)會(huì)出問題。3.2 cdev_add 的時(shí)機(jī)與錯(cuò)誤處理cdev_add是真正把cdev和設(shè)備號(hào)綁進(jìn)內(nèi)核的設(shè)備表里的動(dòng)作ret cdev_add(led_cdev, devno, 1); if (ret 0) { pr_err(failed to add cdev\n); goto err_unregister; }第三個(gè)參數(shù)是設(shè)備數(shù)量一般寫 1如果申請了多個(gè)次設(shè)備號(hào)就寫對應(yīng)的數(shù)量。這里特別提醒一個(gè)最容易忽視的點(diǎn)cdev_add一旦成功用戶空間立刻就能打開這個(gè)設(shè)備了所以在這之前必須保證后續(xù)所有資源都已經(jīng)準(zhǔn)備好。順序反了比如先cdev_add再class_create那么成功添加后到 class 創(chuàng)建前這個(gè)短暫窗口內(nèi)已經(jīng)可以 open 設(shè)備但節(jié)點(diǎn)還不存在容易讓上層應(yīng)用拿到一個(gè)半成品設(shè)備。cdev_add失敗時(shí)要記得把前面分配的設(shè)備號(hào)釋放掉。我最?？吹降膯栴}就是失敗分支里只return -EINVAL設(shè)備號(hào)還掛在系統(tǒng)里第二次加載直接撞車。正確的回滾順序是cdev_del→unregister_chrdev_region一層層退回去。3.3 file_operations 里怎么設(shè)計(jì) LED 的操作入口file_operations是驅(qū)動(dòng)與用戶空間交互的接口表。LED 實(shí)驗(yàn)不需要復(fù)雜功能核心就三個(gè)open、write、release。以下是新內(nèi)核推薦的空 open 寫法static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; }如果有多個(gè) LED可以在open里通過iminor(inode)取出次設(shè)備號(hào)確定當(dāng)前操作的是哪一路 LED。write里要接收用戶傳進(jìn)來的“開/關(guān)”指令static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) { char value; if (copy_from_user(value, buf, 1)) return -EFAULT; if (value 1) led_set_state(1); else if (value 0) led_set_state(0); else return -EINVAL; return 1; }注意這里不能直接用*buf那是用戶空間地址內(nèi)核線程不能直接解引用。copy_from_user返回值為 0 表示拷貝成功返回值非 0 表示還有多少字節(jié)沒拷完應(yīng)當(dāng)返回-EFAULT。這個(gè)細(xì)節(jié)是新手最容易踩的不拷貝直接解引用輕則讀到垃圾值重則觸發(fā)內(nèi)核 oops。file_operations定義如下static const struct file_operations led_fops { .owner THIS_MODULE, .open led_open, .write led_write, .release led_release, };寫const是必須的因?yàn)閮?nèi)核只允許注冊只讀的file_operations表。4. 設(shè)備節(jié)點(diǎn)從 mknod 到自動(dòng)出現(xiàn)class_create 與 device_create 的配合4.1 /dev/led 這個(gè)節(jié)點(diǎn)到底是誰創(chuàng)建的老框架需要mknod手動(dòng)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)但新版驅(qū)動(dòng)在module_init里調(diào)用device_create后/dev/led會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)。這個(gè)“自動(dòng)”的背后是 udev 在干活device_create會(huì)向內(nèi)核的 sysfs 寫入設(shè)備信息并觸發(fā) ueventudev 守護(hù)進(jìn)程收到事件后根據(jù)設(shè)備所屬的 class 和名字在/dev下創(chuàng)建對應(yīng)節(jié)點(diǎn)。對于嵌入式環(huán)境里不用 udev、而是用 busybox 的場景對應(yīng)的機(jī)制是 mdev需要在啟動(dòng)腳本里配置 mdev 的規(guī)則。Ubuntu20.04 桌面版和服務(wù)器版默認(rèn)都有 udev所以我們在 PC 上跑模塊時(shí)基本上不需要額外配置。class_create的作用是給設(shè)備分組。設(shè)備創(chuàng)建后你會(huì)在/sys/class/led/下面看到這個(gè)設(shè)備這也是用戶態(tài)程序發(fā)現(xiàn)硬件設(shè)備的入口之一?？梢岳斫鉃閏lass是設(shè)備在 sysfs 里的“目錄名”決定它歸到哪個(gè)類目下面。4.2 device_create 參數(shù)逐項(xiàng)拆解device_create這個(gè)函數(shù)參數(shù)比較多我一個(gè)個(gè)解釋static struct class *led_class; static struct device *led_device; led_class class_create(THIS_MODULE, led); if (IS_ERR(led_class)) { pr_err(failed to create class\n); goto err_cdev_del; } led_device device_create(led_class, NULL, devno, NULL, led); if (IS_ERR(led_device)) { pr_err(failed to create device\n); goto err_class_destroy; }第一個(gè)參數(shù)led_class是設(shè)備歸屬的 class第二個(gè)參數(shù)parent通常傳 NULL第三個(gè)參數(shù)devno是這個(gè)設(shè)備對應(yīng)的設(shè)備號(hào)它是設(shè)備和cdev掛鉤的錨點(diǎn)第四個(gè)參數(shù)drvdata可以傳驅(qū)動(dòng)的私有數(shù)據(jù)指針LED 實(shí)驗(yàn)里不需要最后一個(gè)變參是設(shè)備節(jié)點(diǎn)名字的格式化字符串比如想要led0、led1這種名字就寫成device_create(led_class, NULL, devno, NULL, led%d, 0)。要注意class_create和device_create的返回值都是錯(cuò)誤指針。判斷時(shí)不能直接和 NULL 比較要用IS_ERR()和PTR_ERR()if (IS_ERR(led_device)) { ret PTR_ERR(led_device); goto err_class_destroy; }4.3 完整可編譯的 LED 驅(qū)動(dòng)代碼把前三章的思路串起來就是一個(gè)完整的新版 LED 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)。我貼一個(gè)能直接編譯的版本實(shí)際硬件控制部分我用一個(gè)接口函數(shù)代替你換成自己的 GPIO 或寄存器操作即可#include linux/module.h #include linux/kernel.h #include linux/fs.h #include linux/cdev.h #include linux/device.h #include linux/uaccess.h #define LED_DEV_COUNT 1 static int major 0; module_param(major, int, 0644); MODULE_PARM_DESC(major, led major number, 0 for dynamic alloc); static dev_t led_devno; static struct cdev led_cdev; static struct class *led_class; static struct device *led_device; static void led_set_state(int state) { /* 實(shí)際項(xiàng)目中替換為 ioremap 寄存器操作或 gpiod_set_value */ pr_info(led state - %d\n, state); } static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) { char value; if (count 1) return -EINVAL; if (copy_from_user(value, buf, 1)) return -EFAULT; if (value 1) led_set_state(1); else if (value 0) led_set_state(0); else return -EINVAL; return 1; } static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } static const struct file_operations led_fops { .owner THIS_MODULE, .open led_open, .write led_write, .release led_release, }; static int __init led_init(void) { int ret; if (major) { led_devno MKDEV(major, 0); ret register_chrdev_region(led_devno, LED_DEV_COUNT, led); } else { ret alloc_chrdev_region(led_devno, 0, LED_DEV_COUNT, led); } if (ret 0) { pr_err(failed to alloc/register chrdev region\n); return ret; } major MAJOR(led_devno); pr_info(led major %d, minor %d\n, major, MINOR(led_devno)); cdev_init(led_cdev, led_fops); led_cdev.owner THIS_MODULE; ret cdev_add(led_cdev, led_devno, LED_DEV_COUNT); if (ret 0) { pr_err(failed to add cdev\n); goto err_unregister_region; } led_class class_create(THIS_MODULE, led); if (IS_ERR(led_class)) { ret PTR_ERR(led_class); pr_err(failed to create class\n); goto err_cdev_del; } led_device device_create(led_class, NULL, led_devno, NULL, led); if (IS_ERR(led_device)) { ret PTR_ERR(led_device); pr_err(failed to create device\n); goto err_class_destroy; } return 0; err_class_destroy: class_destroy(led_class); err_cdev_del: cdev_del(led_cdev); err_unregister_region: unregister_chrdev_region(led_devno, LED_DEV_COUNT); return ret; } static void __exit led_exit(void) { device_destroy(led_class, led_devno); class_destroy(led_class); cdev_del(led_cdev); unregister_chrdev_region(led_devno, LED_DEV_COUNT); pr_info(led driver removed\n); } module_init(led_init); module_exit(led_exit); MODULE_LICENSE(GPL); MODULE_AUTHOR(A Developer); MODULE_DESCRIPTION(New style LED char device driver); MODULE_VERSION(1.0);這個(gè)文件保存為led.c和后面的 Makefile 放同一目錄。加載后write一個(gè)1或0進(jìn)去日志里會(huì)打印led state - 1或led state - 0。換成真實(shí)硬件時(shí)只要把led_set_state里的占位代碼替換成實(shí)際的點(diǎn)燈/滅燈操作即可字符設(shè)備那套框架完全不用動(dòng)。5. Ubuntu20.04 上編譯模塊KDIR 與 Makefile 是關(guān)鍵5.1 本機(jī)編譯與交叉編譯的取舍Ubuntu20.04 在驅(qū)動(dòng)開發(fā)里通常有兩個(gè)角色。如果你只是想在 x86 主機(jī)上驗(yàn)證字符設(shè)備框架直接用本機(jī)內(nèi)核頭文件編譯模塊insmod到當(dāng)前系統(tǒng)就能測。如果你手上有 ARM 開發(fā)板需要把 Ubuntu 當(dāng)作宿主機(jī)給目標(biāo)板交叉編譯.ko文件。本機(jī)編譯需要安裝內(nèi)核頭文件最簡單的方式sudo apt update sudo apt install linux-headers-generic裝完后一般指向/lib/modules/$(uname -r)/build目錄。uname -r查看當(dāng)前內(nèi)核版本如果頭文件版本和當(dāng)前運(yùn)行內(nèi)核不一致編譯時(shí) vermagic 對不上insmod時(shí)會(huì)拒絕加載。這一點(diǎn)在升級(jí)內(nèi)核后特別容易踩舊頭文件還在但當(dāng)前內(nèi)核已經(jīng)換新版本了。交叉編譯則要準(zhǔn)備目標(biāo)板同版本的內(nèi)核源碼并且該源碼目錄已經(jīng)完成配置。這個(gè)源碼目錄就是 KDIR編譯出的模塊和開發(fā)板內(nèi)核的 vermagic 必須完全一致否則加載時(shí)報(bào)version magic不匹配。所以內(nèi)核源碼版本要和開發(fā)板燒錄的內(nèi)核版本嚴(yán)格對應(yīng)最好直接用制作內(nèi)核鏡像時(shí)的那份源碼。5.2 Makefile 模板外部模塊的 Makefile 是一個(gè)固定套路核心是調(diào)用內(nèi)核構(gòu)建系統(tǒng)obj-m : led.o KERNELDIR ? /lib/modules/$(shell uname -r)/build PWD : $(shell pwd) all: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M$(PWD) modules clean: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M$(PWD) clean-C告訴 make 先切換到內(nèi)核構(gòu)建目錄M$(PWD)指回模塊源碼目錄modules是構(gòu)建目標(biāo)。這個(gè) Makefile 里的縮進(jìn)必須是 Tab不能用空格否則 make 直接報(bào)錯(cuò)我見過太多次因?yàn)檫@個(gè)原因卡住的情況。交叉編譯時(shí)改成ARCH ? arm CROSS_COMPILE ? arm-linux-gnueabihf- KERNELDIR ? /path/to/kernel/source all: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M$(PWD) ARCH$(ARCH) CROSS_COMPILE$(CROSS_COMPILE) modules clean: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M$(PWD) ARCH$(ARCH) CROSS_COMPILE$(CROSS_COMPILE) cleanCROSS_COMPILE是工具鏈前綴Ubuntu20.04 上安裝 32 位 ARM 工具鏈sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabihf安裝完確認(rèn)一下arm-linux-gnueabihf-gcc -v工具鏈能跑起來再繼續(xù)否則后面所有交叉編譯命令都會(huì)以command not found告終。5.3 編譯報(bào)錯(cuò)與模塊加載校驗(yàn)編譯階段最常出現(xiàn)的問題之一是頭文件找不到報(bào)錯(cuò)類似linux/module.h: No such file or directory。這通常意味著KERNELDIR指向的目錄缺少include/generated或include/linux文件簡單說就是內(nèi)核頭文件沒準(zhǔn)備好。解決方法是要么用發(fā)行版提供的linux-headers-generic要么在內(nèi)核源碼根目錄先執(zhí)行make prepare等配置步驟不能拿一個(gè)剛解壓的裸源碼目錄直接當(dāng) KDIR 用。另一個(gè)問題是架構(gòu)混亂。如果你在一臺(tái) x86 主機(jī)上編譯出了 ARM 的.ko可以先用file命令確認(rèn)file led.ko輸出里能看到 ELF 架構(gòu)信息比如ARM或x86-64。如果架構(gòu)不對多半是 Makefile 里的ARCH和CROSS_COMPILE沒起作用或者上一次編譯的中間文件殘留。換架構(gòu)之前先make clean清掉舊文件再編避免殘留的.o被復(fù)用。模塊編譯出來之后用modinfo看 vermagicmodinfo led.ko | grep vermagic這份信息和開發(fā)板內(nèi)核要一致。Ubuntu 桌面版默認(rèn)開啟了安全啟動(dòng)直接insmod可能報(bào)Required key not available那是模塊簽名校驗(yàn)沒通過。臨時(shí)測試可以進(jìn)入 BIOS 關(guān)閉 Secure Boot或者給模塊做簽名這個(gè)環(huán)節(jié)不是驅(qū)動(dòng)邏輯問題但很容易卡住新手。6. 加載、測試、排錯(cuò)實(shí)際跑一次新版 LED 驅(qū)動(dòng)6.1 insmod 之后應(yīng)該看到什么先把 Ubuntu20.04 上本機(jī)測試的完整流程走一遍。編譯成功得到led.ko然后用sudo加載sudo insmod led.ko緊接著觀察內(nèi)核日志dmesg | tail正常情況下應(yīng)該能看到led major 240, minor 0數(shù)字取決于動(dòng)態(tài)分配結(jié)果。然后確認(rèn)設(shè)備號(hào)確實(shí)進(jìn)入內(nèi)核cat /proc/devices | grep led再查看設(shè)備節(jié)點(diǎn)ls -l /dev/led如果有crw-rw---- 1 root root 240, 0 ... /dev/led說明整套鏈路已經(jīng)通了。此時(shí)用一個(gè)普通用戶訪問可能沒有權(quán)限測試時(shí)直接換成 root 或用sudoecho 1 /dev/led echo 0 /dev/led每執(zhí)行一次dmesg里應(yīng)該多一行l(wèi)ed state - 1或led state - 0。如果你在板子上接了真實(shí) LED這時(shí)候燈就會(huì)跟著亮滅。6.2 失敗鏈路排查清單我在帶人做實(shí)驗(yàn)時(shí)總結(jié)過一套排查順序按現(xiàn)象定位最快現(xiàn)象可能原因排查與解決insmod 成功但 /dev/led 不存在device_create失敗或者 udev 沒有收到事件dmesg看是否有failed to create device檢查 class_create 是否成功/dev/led 存在但 open 失敗設(shè)備節(jié)點(diǎn)權(quán)限不足或 cdev_add 順序有問題sudo chmod 666 /dev/led臨時(shí)測試寫 udev 規(guī)則做永久處理open 成功但 echo 報(bào)錯(cuò)copy_from_user失敗或 write 邏輯返回負(fù)數(shù)回到驅(qū)動(dòng)代碼檢查 fops 里 write 是否注冊成功rmmod 報(bào)仍在占用有進(jìn)程打開著 /dev/ledfuser -v /dev/led查看占用進(jìn)程關(guān)閉后再卸載加載時(shí)設(shè)備號(hào)沖突register_chrdev_region 指定的 major 被占用cat /proc/devices查詢改用動(dòng)態(tài)分配或換號(hào)特別說一下/dev/led權(quán)限問題。device_create創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)默認(rèn)屬主是 root權(quán)限是 0600所以普通用戶echo進(jìn)去必然被拒。臨時(shí)測試用chmod 666沒問題產(chǎn)品上建議寫一個(gè) udev 規(guī)則按 class 和 subsystem 給設(shè)備節(jié)點(diǎn)設(shè)置權(quán)限組這樣每次開機(jī)自動(dòng)生效不依賴手動(dòng)改權(quán)限。6.3 動(dòng)態(tài)主設(shè)備號(hào)對應(yīng)用透明嗎這是許多新手最后會(huì)糾結(jié)的問題如果每次加載主設(shè)備號(hào)都變那我應(yīng)用程序里寫死的mknod或者open路徑怎么辦答案是不用擔(dān)心。/dev/led這個(gè)節(jié)點(diǎn)名是device_create最后一個(gè)參數(shù)決定的和主設(shè)備號(hào)無關(guān)。應(yīng)用層打開設(shè)備用的是路徑名真正打開時(shí) VFS 會(huì)根據(jù)節(jié)點(diǎn)記錄的dev_t找到對應(yīng)的cdev所以你完全不感知主設(shè)備號(hào)是多少。這也正是新版框架的價(jià)值設(shè)備號(hào)是內(nèi)核內(nèi)部資源應(yīng)用只看到設(shè)備節(jié)點(diǎn)名。多 LED 場景就更好理解了。申請兩個(gè)次設(shè)備號(hào)device_create分別創(chuàng)建led0和led1應(yīng)用行為完全一致驅(qū)動(dòng)內(nèi)部通過iminor(inode)區(qū)分控制哪一路。LED 實(shí)驗(yàn)跑通后建議你再補(bǔ)一個(gè)read方法和ioctl把整個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的骨架填滿后面寫按鍵、寫傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)這套框架能直接復(fù)刻。最后提醒一句經(jīng)驗(yàn)調(diào)試階段固定major241方便看現(xiàn)象但產(chǎn)品代碼里一定要默認(rèn)走動(dòng)態(tài)分配。我見過不止一次同事把測試時(shí)的固定設(shè)備號(hào)帶進(jìn)量產(chǎn)程序結(jié)果目標(biāo)板上那個(gè)號(hào)早被別的驅(qū)動(dòng)占走驅(qū)動(dòng)加載直接失敗排查大半天才反應(yīng)過來。新版這套流程看著比老版多一些代碼但每一步都可控、可回滾、可定位等你能不看模板把這個(gè)鏈路默寫出來字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)基本上就入門了。 新版Linux LED驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)：設(shè)備號(hào)分配與cdev結(jié)構(gòu)體全流程解析
做 ARM Linux 驅(qū)動(dòng)繞不開一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)LED。這些年在網(wǎng)上能翻到的教程一大半還在用老版register_chrdevmknod那套寫法放到 Ubuntu20.04 的新內(nèi)核上要么編譯報(bào)錯(cuò)要么加載后行為不對勁。標(biāo)題里提到的“新版 LED 驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)原理”和“設(shè)備號(hào)分配 cdev 結(jié)構(gòu)體全流程”其實(shí)點(diǎn)出了新舊兩套框架最本質(zhì)的差異新版把一個(gè)黑盒拆成了幾個(gè)顯式步驟每一步都讓你自己控制、自己釋放。這篇文章就照著 Ubuntu20.04 環(huán)境把從設(shè)備號(hào)申請到 cdev 注冊、再到/dev/led節(jié)點(diǎn)自動(dòng)出現(xiàn)的完整鏈路走一遍順帶把我在調(diào)試中踩過的坑填給你適合剛從 2.6/3.x 老代碼切過來、或者準(zhǔn)備正經(jīng)寫字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開發(fā)者參考。1. 從“一鍵打包”到“全流程拆解”新版 LED 驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的框架差異1.1 老版 register_chrdev 到底封裝了什么早期驅(qū)動(dòng)里最常見的一段代碼是這樣的ret register_chrdev(major, led, led_fops);如果major傳 0內(nèi)核會(huì)替你動(dòng)態(tài)分配一個(gè)主設(shè)備號(hào)如果傳一個(gè)固定值那就把該主設(shè)備號(hào)占下來?？粗∈碌@個(gè)函數(shù)內(nèi)部做的事情遠(yuǎn)比表面多它會(huì)申請一段設(shè)備號(hào)區(qū)間、初始化一個(gè)cdev結(jié)構(gòu)體、把file_operations掛上去并且一下就占滿 256 個(gè)次設(shè)備號(hào)。問題也隨之而來。第一你無法精細(xì)管理次設(shè)備號(hào)比如一個(gè)驅(qū)動(dòng)要控制 8 個(gè) LED你想讓每個(gè) LED 各占一個(gè)次設(shè)備號(hào)老接口根本表達(dá)不出這種意圖它默認(rèn)把所有次設(shè)備號(hào)都包圓了。第二主設(shè)備號(hào)沖突極難排查內(nèi)核只在申請失敗時(shí)返回一個(gè)錯(cuò)誤碼不會(huì)告訴你是誰占用了這個(gè)號(hào)你得自己去翻/proc/devices。第三也是最讓新手難受的一點(diǎn)設(shè)備節(jié)點(diǎn)不會(huì)自己出現(xiàn)。老教程會(huì)教你在加載后用mknod /dev/led c major 0手動(dòng)建節(jié)點(diǎn)而現(xiàn)代發(fā)行版的/dev由 devtmpfs/udev 管理手動(dòng)mknod出來的節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)重啟后就會(huì)消失權(quán)限也經(jīng)常不對。這并不是說register_chrdev不能用了它在 5.x 內(nèi)核里依然作為兼容接口存在但新代碼再走這條路等于放棄了內(nèi)核提供的大量資源管理能力。新版驅(qū)動(dòng)把流程拆成我們下面要講的“設(shè)備號(hào)分配 → cdev 注冊 → 設(shè)備節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建”三段讓每一步都可控、可回滾、可排查。1.2 新版全流程每個(gè)環(huán)節(jié)各管一攤新版 LED 驅(qū)動(dòng)在module_init里要按順序做四件事分配設(shè)備號(hào)alloc_chrdev_region或register_chrdev_region初始化并添加cdevcdev_initcdev_add創(chuàng)建 classclass_create創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)device_create。對應(yīng)在module_exit里清理順序嚴(yán)格反著來先銷毀設(shè)備節(jié)點(diǎn)再銷毀 class然后移除 cdev最后釋放設(shè)備號(hào)。我經(jīng)常跟新人講這段順序不是隨便定的它對應(yīng)的是資源依賴關(guān)系device_create依賴 class 存在cdev 依賴設(shè)備號(hào)存在所以你銷毀的時(shí)候必須從最上層開始一層層拆先斷掉用戶可見的入口再回收內(nèi)核資源。我用一個(gè)生活類比來理解這套模型設(shè)備號(hào)是房子的門牌號(hào)cdev是房子里擺好的辦公桌file_operations是桌上貼著的工作流程說明而/dev/led這個(gè)節(jié)點(diǎn)則是門口掛的招牌。沒有門牌號(hào)辦公桌不知道掛靠在哪沒有辦公桌客人來了沒人接待沒有招牌用戶根本不知道有這個(gè)房間。新版驅(qū)動(dòng)把這三件事一步步做每一步失敗都能立刻定位到是哪塊出了問題。2. 設(shè)備號(hào)分配alloc_chrdev_region 和 register_chrdev_region 怎么選2.1 dev_t 與 MKDEV/MAJOR/MINOR 的編碼規(guī)則設(shè)備號(hào)在內(nèi)核里是一個(gè)dev_t類型本質(zhì)是個(gè) 32 位無符號(hào)整數(shù)。高 12 位是主設(shè)備號(hào)低 20 位是次設(shè)備號(hào)。主設(shè)備號(hào)用來區(qū)分設(shè)備類型和對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)次設(shè)備號(hào)用來區(qū)分同一驅(qū)動(dòng)下的多個(gè)實(shí)例。直接位運(yùn)算容易出錯(cuò)內(nèi)核提供了現(xiàn)成宏#include linux/kdev_t.h dev_t devno MKDEV(240, 0); // 主設(shè)備號(hào) 240次設(shè)備號(hào) 0 int major MAJOR(devno); // 取出主設(shè)備號(hào) int minor MINOR(devno); // 取出次設(shè)備號(hào)主設(shè)備號(hào)在 5.x 內(nèi)核里可用于注冊的范圍大約到 511實(shí)際分配時(shí)建議別手寫固定值除非你有明確理由。次設(shè)備號(hào)的 20 位空間足夠讓一個(gè)主設(shè)備掛幾百萬個(gè)同類型設(shè)備所以驅(qū)動(dòng)里通常一個(gè)主設(shè)備號(hào)配合多個(gè)次設(shè)備號(hào)使用。我在調(diào)試時(shí)候的習(xí)慣是先把MAJOR(devno)和MINOR(devno)打出來看確認(rèn)設(shè)備號(hào)確實(shí)拿到了再進(jìn)行下一步。這一步出錯(cuò)后面所有工作都白做。2.2 兩種分配函數(shù)的適用場景設(shè)備號(hào)分配有兩個(gè) API很多新手搞不清區(qū)別其實(shí)看名字就夠直白函數(shù)傳入?yún)?shù)特點(diǎn)適用場景風(fēng)險(xiǎn)register_chrdev_region(dev_t first, unsigned count, const char *name)需要手動(dòng)構(gòu)造first即指定起始設(shè)備號(hào)調(diào)試時(shí)固定設(shè)備號(hào)、產(chǎn)品有明確主設(shè)備號(hào)約定可能與其他驅(qū)動(dòng)沖突加載失敗alloc_chrdev_region(dev_t *dev, unsigned firstminor, unsigned count, const char *name)內(nèi)核自動(dòng)分配結(jié)果寫入指針產(chǎn)品代碼、避免手工管理設(shè)備號(hào)每次加載主設(shè)備號(hào)可能不同如果你想固定主設(shè)備號(hào)代碼這么寫static int major 240; dev_t devno; devno MKDEV(major, 0); ret register_chrdev_region(devno, 1, led); if (ret 0) { pr_err(failed to register chrdev region\n); return ret; }如果讓內(nèi)核動(dòng)態(tài)分配dev_t devno; ret alloc_chrdev_region(devno, 0, 1, led); if (ret 0) { pr_err(failed to alloc chrdev region\n); return ret; } major MAJOR(devno); pr_info(led major %d, minor %d\n, major, MINOR(devno));我在實(shí)際項(xiàng)目里強(qiáng)烈推薦第二種原因很現(xiàn)實(shí)你永遠(yuǎn)不知道目標(biāo)板子上哪些主設(shè)備號(hào)已經(jīng)被其他驅(qū)動(dòng)占了。動(dòng)態(tài)分配把“找空號(hào)”這件事交給內(nèi)核沖突概率降到最低。調(diào)試階段為了復(fù)現(xiàn)問題可以加一個(gè)模塊參數(shù)允許手動(dòng)指定主設(shè)備號(hào)0 表示動(dòng)態(tài)分配。static int major 0; module_param(major, int, 0644); if (major) { devno MKDEV(major, 0); ret register_chrdev_region(devno, 1, led); } else { ret alloc_chrdev_region(devno, 0, 1, led); }這樣insmod led.ko默認(rèn)動(dòng)態(tài)分配insmod led.ko major241則固定為 241調(diào)試和產(chǎn)品兩不誤。2.3 設(shè)備號(hào)釋放與常見沖突排查設(shè)備號(hào)屬于內(nèi)核全局資源用完了必須還回去。釋放函數(shù)只有配套的unregister_chrdev_region(devno, count)一個(gè)放在module_exit的最后一步執(zhí)行。我在代碼審查時(shí)見過不少新手把unregister_chrdev_region放在cdev_del之前當(dāng)時(shí)看不出問題但設(shè)備文件還開著的時(shí)候內(nèi)核按設(shè)備號(hào)找不到對應(yīng)的cdev系統(tǒng)日志里就會(huì)冒出一些奇怪的錯(cuò)誤。排查設(shè)備號(hào)沖突最直接的辦法是加載前先看一眼cat /proc/devices這個(gè)文件列出當(dāng)前已經(jīng)注冊的字符設(shè)備和塊設(shè)備的設(shè)備號(hào)與名稱。如果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)主設(shè)備號(hào)已經(jīng)在列表里那就別硬搶。還有一招是用grep過濾cat /proc/devices | grep led如果日志出現(xiàn)register_chrdev_region: ... already in use之類的提示多半就是主設(shè)備號(hào)撞車了。3. cdev 結(jié)構(gòu)體如何把 file_operations 掛到設(shè)備號(hào)上3.1 struct cdev 的關(guān)鍵成員與初始化設(shè)備號(hào)只是給設(shè)備發(fā)了一張“身份證”真正讓這張身份證生效的是cdev。內(nèi)核源碼里的定義大致如下struct cdev { struct kobject kobj; struct module *owner; const struct file_operations *ops; dev_t dev; unsigned int count; };四個(gè)關(guān)鍵成員各有用處kobj讓cdev成為內(nèi)核對象模型的一員可以被引用計(jì)數(shù)管理owner通常寫成THIS_MODULE保證設(shè)備正被使用時(shí)模塊不能被卸載ops掛載文件操作函數(shù)集是業(yè)務(wù)核心dev記錄它對應(yīng)的設(shè)備號(hào)count表示占用了多少個(gè)次設(shè)備號(hào)。初始化有兩種方式。一種是在文件作用域直接放一個(gè)struct cdevstatic struct cdev led_cdev; cdev_init(led_cdev, led_fops);另一種先用cdev_alloc()動(dòng)態(tài)分配再cdev_init()。對于 LED 這種單實(shí)例驅(qū)動(dòng)我建議用靜態(tài)方式少一次動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理就少一類內(nèi)存泄漏隱患多實(shí)例場景再用動(dòng)態(tài)方式按需創(chuàng)建。初始化完成后led_cdev.owner THIS_MODULE這行也別忘了否則模塊卸載時(shí)會(huì)出問題。3.2 cdev_add 的時(shí)機(jī)與錯(cuò)誤處理cdev_add是真正把cdev和設(shè)備號(hào)綁進(jìn)內(nèi)核的設(shè)備表里的動(dòng)作ret cdev_add(led_cdev, devno, 1); if (ret 0) { pr_err(failed to add cdev\n); goto err_unregister; }第三個(gè)參數(shù)是設(shè)備數(shù)量一般寫 1如果申請了多個(gè)次設(shè)備號(hào)就寫對應(yīng)的數(shù)量。這里特別提醒一個(gè)最容易忽視的點(diǎn)cdev_add一旦成功用戶空間立刻就能打開這個(gè)設(shè)備了所以在這之前必須保證后續(xù)所有資源都已經(jīng)準(zhǔn)備好。順序反了比如先cdev_add再class_create那么成功添加后到 class 創(chuàng)建前這個(gè)短暫窗口內(nèi)已經(jīng)可以 open 設(shè)備但節(jié)點(diǎn)還不存在容易讓上層應(yīng)用拿到一個(gè)半成品設(shè)備。cdev_add失敗時(shí)要記得把前面分配的設(shè)備號(hào)釋放掉。我最?？吹降膯栴}就是失敗分支里只return -EINVAL設(shè)備號(hào)還掛在系統(tǒng)里第二次加載直接撞車。正確的回滾順序是cdev_del→unregister_chrdev_region一層層退回去。3.3 file_operations 里怎么設(shè)計(jì) LED 的操作入口file_operations是驅(qū)動(dòng)與用戶空間交互的接口表。LED 實(shí)驗(yàn)不需要復(fù)雜功能核心就三個(gè)open、write、release。以下是新內(nèi)核推薦的空 open 寫法static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; }如果有多個(gè) LED可以在open里通過iminor(inode)取出次設(shè)備號(hào)確定當(dāng)前操作的是哪一路 LED。write里要接收用戶傳進(jìn)來的“開/關(guān)”指令static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) { char value; if (copy_from_user(value, buf, 1)) return -EFAULT; if (value 1) led_set_state(1); else if (value 0) led_set_state(0); else return -EINVAL; return 1; }注意這里不能直接用*buf那是用戶空間地址內(nèi)核線程不能直接解引用。copy_from_user返回值為 0 表示拷貝成功返回值非 0 表示還有多少字節(jié)沒拷完應(yīng)當(dāng)返回-EFAULT。這個(gè)細(xì)節(jié)是新手最容易踩的不拷貝直接解引用輕則讀到垃圾值重則觸發(fā)內(nèi)核 oops。file_operations定義如下static const struct file_operations led_fops { .owner THIS_MODULE, .open led_open, .write led_write, .release led_release, };寫const是必須的因?yàn)閮?nèi)核只允許注冊只讀的file_operations表。4. 設(shè)備節(jié)點(diǎn)從 mknod 到自動(dòng)出現(xiàn)class_create 與 device_create 的配合4.1 /dev/led 這個(gè)節(jié)點(diǎn)到底是誰創(chuàng)建的老框架需要mknod手動(dòng)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)但新版驅(qū)動(dòng)在module_init里調(diào)用device_create后/dev/led會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)。這個(gè)“自動(dòng)”的背后是 udev 在干活device_create會(huì)向內(nèi)核的 sysfs 寫入設(shè)備信息并觸發(fā) ueventudev 守護(hù)進(jìn)程收到事件后根據(jù)設(shè)備所屬的 class 和名字在/dev下創(chuàng)建對應(yīng)節(jié)點(diǎn)。對于嵌入式環(huán)境里不用 udev、而是用 busybox 的場景對應(yīng)的機(jī)制是 mdev需要在啟動(dòng)腳本里配置 mdev 的規(guī)則。Ubuntu20.04 桌面版和服務(wù)器版默認(rèn)都有 udev所以我們在 PC 上跑模塊時(shí)基本上不需要額外配置。class_create的作用是給設(shè)備分組。設(shè)備創(chuàng)建后你會(huì)在/sys/class/led/下面看到這個(gè)設(shè)備這也是用戶態(tài)程序發(fā)現(xiàn)硬件設(shè)備的入口之一?？梢岳斫鉃閏lass是設(shè)備在 sysfs 里的“目錄名”決定它歸到哪個(gè)類目下面。4.2 device_create 參數(shù)逐項(xiàng)拆解device_create這個(gè)函數(shù)參數(shù)比較多我一個(gè)個(gè)解釋static struct class *led_class; static struct device *led_device; led_class class_create(THIS_MODULE, led); if (IS_ERR(led_class)) { pr_err(failed to create class\n); goto err_cdev_del; } led_device device_create(led_class, NULL, devno, NULL, led); if (IS_ERR(led_device)) { pr_err(failed to create device\n); goto err_class_destroy; }第一個(gè)參數(shù)led_class是設(shè)備歸屬的 class第二個(gè)參數(shù)parent通常傳 NULL第三個(gè)參數(shù)devno是這個(gè)設(shè)備對應(yīng)的設(shè)備號(hào)它是設(shè)備和cdev掛鉤的錨點(diǎn)第四個(gè)參數(shù)drvdata可以傳驅(qū)動(dòng)的私有數(shù)據(jù)指針LED 實(shí)驗(yàn)里不需要最后一個(gè)變參是設(shè)備節(jié)點(diǎn)名字的格式化字符串比如想要led0、led1這種名字就寫成device_create(led_class, NULL, devno, NULL, led%d, 0)。要注意class_create和device_create的返回值都是錯(cuò)誤指針。判斷時(shí)不能直接和 NULL 比較要用IS_ERR()和PTR_ERR()if (IS_ERR(led_device)) { ret PTR_ERR(led_device); goto err_class_destroy; }4.3 完整可編譯的 LED 驅(qū)動(dòng)代碼把前三章的思路串起來就是一個(gè)完整的新版 LED 字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)。我貼一個(gè)能直接編譯的版本實(shí)際硬件控制部分我用一個(gè)接口函數(shù)代替你換成自己的 GPIO 或寄存器操作即可#include linux/module.h #include linux/kernel.h #include linux/fs.h #include linux/cdev.h #include linux/device.h #include linux/uaccess.h #define LED_DEV_COUNT 1 static int major 0; module_param(major, int, 0644); MODULE_PARM_DESC(major, led major number, 0 for dynamic alloc); static dev_t led_devno; static struct cdev led_cdev; static struct class *led_class; static struct device *led_device; static void led_set_state(int state) { /* 實(shí)際項(xiàng)目中替換為 ioremap 寄存器操作或 gpiod_set_value */ pr_info(led state - %d\n, state); } static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) { char value; if (count 1) return -EINVAL; if (copy_from_user(value, buf, 1)) return -EFAULT; if (value 1) led_set_state(1); else if (value 0) led_set_state(0); else return -EINVAL; return 1; } static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } static const struct file_operations led_fops { .owner THIS_MODULE, .open led_open, .write led_write, .release led_release, }; static int __init led_init(void) { int ret; if (major) { led_devno MKDEV(major, 0); ret register_chrdev_region(led_devno, LED_DEV_COUNT, led); } else { ret alloc_chrdev_region(led_devno, 0, LED_DEV_COUNT, led); } if (ret 0) { pr_err(failed to alloc/register chrdev region\n); return ret; } major MAJOR(led_devno); pr_info(led major %d, minor %d\n, major, MINOR(led_devno)); cdev_init(led_cdev, led_fops); led_cdev.owner THIS_MODULE; ret cdev_add(led_cdev, led_devno, LED_DEV_COUNT); if (ret 0) { pr_err(failed to add cdev\n); goto err_unregister_region; } led_class class_create(THIS_MODULE, led); if (IS_ERR(led_class)) { ret PTR_ERR(led_class); pr_err(failed to create class\n); goto err_cdev_del; } led_device device_create(led_class, NULL, led_devno, NULL, led); if (IS_ERR(led_device)) { ret PTR_ERR(led_device); pr_err(failed to create device\n); goto err_class_destroy; } return 0; err_class_destroy: class_destroy(led_class); err_cdev_del: cdev_del(led_cdev); err_unregister_region: unregister_chrdev_region(led_devno, LED_DEV_COUNT); return ret; } static void __exit led_exit(void) { device_destroy(led_class, led_devno); class_destroy(led_class); cdev_del(led_cdev); unregister_chrdev_region(led_devno, LED_DEV_COUNT); pr_info(led driver removed\n); } module_init(led_init); module_exit(led_exit); MODULE_LICENSE(GPL); MODULE_AUTHOR(A Developer); MODULE_DESCRIPTION(New style LED char device driver); MODULE_VERSION(1.0);這個(gè)文件保存為led.c和后面的 Makefile 放同一目錄。加載后write一個(gè)1或0進(jìn)去日志里會(huì)打印led state - 1或led state - 0。換成真實(shí)硬件時(shí)只要把led_set_state里的占位代碼替換成實(shí)際的點(diǎn)燈/滅燈操作即可字符設(shè)備那套框架完全不用動(dòng)。5. Ubuntu20.04 上編譯模塊KDIR 與 Makefile 是關(guān)鍵5.1 本機(jī)編譯與交叉編譯的取舍Ubuntu20.04 在驅(qū)動(dòng)開發(fā)里通常有兩個(gè)角色。如果你只是想在 x86 主機(jī)上驗(yàn)證字符設(shè)備框架直接用本機(jī)內(nèi)核頭文件編譯模塊insmod到當(dāng)前系統(tǒng)就能測。如果你手上有 ARM 開發(fā)板需要把 Ubuntu 當(dāng)作宿主機(jī)給目標(biāo)板交叉編譯.ko文件。本機(jī)編譯需要安裝內(nèi)核頭文件最簡單的方式sudo apt update sudo apt install linux-headers-generic裝完后一般指向/lib/modules/$(uname -r)/build目錄。uname -r查看當(dāng)前內(nèi)核版本如果頭文件版本和當(dāng)前運(yùn)行內(nèi)核不一致編譯時(shí) vermagic 對不上insmod時(shí)會(huì)拒絕加載。這一點(diǎn)在升級(jí)內(nèi)核后特別容易踩舊頭文件還在但當(dāng)前內(nèi)核已經(jīng)換新版本了。交叉編譯則要準(zhǔn)備目標(biāo)板同版本的內(nèi)核源碼并且該源碼目錄已經(jīng)完成配置。這個(gè)源碼目錄就是 KDIR編譯出的模塊和開發(fā)板內(nèi)核的 vermagic 必須完全一致否則加載時(shí)報(bào)version magic不匹配。所以內(nèi)核源碼版本要和開發(fā)板燒錄的內(nèi)核版本嚴(yán)格對應(yīng)最好直接用制作內(nèi)核鏡像時(shí)的那份源碼。5.2 Makefile 模板外部模塊的 Makefile 是一個(gè)固定套路核心是調(diào)用內(nèi)核構(gòu)建系統(tǒng)obj-m : led.o KERNELDIR ? /lib/modules/$(shell uname -r)/build PWD : $(shell pwd) all: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M$(PWD) modules clean: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M$(PWD) clean-C告訴 make 先切換到內(nèi)核構(gòu)建目錄M$(PWD)指回模塊源碼目錄modules是構(gòu)建目標(biāo)。這個(gè) Makefile 里的縮進(jìn)必須是 Tab不能用空格否則 make 直接報(bào)錯(cuò)我見過太多次因?yàn)檫@個(gè)原因卡住的情況。交叉編譯時(shí)改成ARCH ? arm CROSS_COMPILE ? arm-linux-gnueabihf- KERNELDIR ? /path/to/kernel/source all: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M$(PWD) ARCH$(ARCH) CROSS_COMPILE$(CROSS_COMPILE) modules clean: $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M$(PWD) ARCH$(ARCH) CROSS_COMPILE$(CROSS_COMPILE) cleanCROSS_COMPILE是工具鏈前綴Ubuntu20.04 上安裝 32 位 ARM 工具鏈sudo apt install gcc-arm-linux-gnueabihf安裝完確認(rèn)一下arm-linux-gnueabihf-gcc -v工具鏈能跑起來再繼續(xù)否則后面所有交叉編譯命令都會(huì)以command not found告終。5.3 編譯報(bào)錯(cuò)與模塊加載校驗(yàn)編譯階段最常出現(xiàn)的問題之一是頭文件找不到報(bào)錯(cuò)類似linux/module.h: No such file or directory。這通常意味著KERNELDIR指向的目錄缺少include/generated或include/linux文件簡單說就是內(nèi)核頭文件沒準(zhǔn)備好。解決方法是要么用發(fā)行版提供的linux-headers-generic要么在內(nèi)核源碼根目錄先執(zhí)行make prepare等配置步驟不能拿一個(gè)剛解壓的裸源碼目錄直接當(dāng) KDIR 用。另一個(gè)問題是架構(gòu)混亂。如果你在一臺(tái) x86 主機(jī)上編譯出了 ARM 的.ko可以先用file命令確認(rèn)file led.ko輸出里能看到 ELF 架構(gòu)信息比如ARM或x86-64。如果架構(gòu)不對多半是 Makefile 里的ARCH和CROSS_COMPILE沒起作用或者上一次編譯的中間文件殘留。換架構(gòu)之前先make clean清掉舊文件再編避免殘留的.o被復(fù)用。模塊編譯出來之后用modinfo看 vermagicmodinfo led.ko | grep vermagic這份信息和開發(fā)板內(nèi)核要一致。Ubuntu 桌面版默認(rèn)開啟了安全啟動(dòng)直接insmod可能報(bào)Required key not available那是模塊簽名校驗(yàn)沒通過。臨時(shí)測試可以進(jìn)入 BIOS 關(guān)閉 Secure Boot或者給模塊做簽名這個(gè)環(huán)節(jié)不是驅(qū)動(dòng)邏輯問題但很容易卡住新手。6. 加載、測試、排錯(cuò)實(shí)際跑一次新版 LED 驅(qū)動(dòng)6.1 insmod 之后應(yīng)該看到什么先把 Ubuntu20.04 上本機(jī)測試的完整流程走一遍。編譯成功得到led.ko然后用sudo加載sudo insmod led.ko緊接著觀察內(nèi)核日志dmesg | tail正常情況下應(yīng)該能看到led major 240, minor 0數(shù)字取決于動(dòng)態(tài)分配結(jié)果。然后確認(rèn)設(shè)備號(hào)確實(shí)進(jìn)入內(nèi)核cat /proc/devices | grep led再查看設(shè)備節(jié)點(diǎn)ls -l /dev/led如果有crw-rw---- 1 root root 240, 0 ... /dev/led說明整套鏈路已經(jīng)通了。此時(shí)用一個(gè)普通用戶訪問可能沒有權(quán)限測試時(shí)直接換成 root 或用sudoecho 1 /dev/led echo 0 /dev/led每執(zhí)行一次dmesg里應(yīng)該多一行l(wèi)ed state - 1或led state - 0。如果你在板子上接了真實(shí) LED這時(shí)候燈就會(huì)跟著亮滅。6.2 失敗鏈路排查清單我在帶人做實(shí)驗(yàn)時(shí)總結(jié)過一套排查順序按現(xiàn)象定位最快現(xiàn)象可能原因排查與解決insmod 成功但 /dev/led 不存在device_create失敗或者 udev 沒有收到事件dmesg看是否有failed to create device檢查 class_create 是否成功/dev/led 存在但 open 失敗設(shè)備節(jié)點(diǎn)權(quán)限不足或 cdev_add 順序有問題sudo chmod 666 /dev/led臨時(shí)測試寫 udev 規(guī)則做永久處理open 成功但 echo 報(bào)錯(cuò)copy_from_user失敗或 write 邏輯返回負(fù)數(shù)回到驅(qū)動(dòng)代碼檢查 fops 里 write 是否注冊成功rmmod 報(bào)仍在占用有進(jìn)程打開著 /dev/ledfuser -v /dev/led查看占用進(jìn)程關(guān)閉后再卸載加載時(shí)設(shè)備號(hào)沖突register_chrdev_region 指定的 major 被占用cat /proc/devices查詢改用動(dòng)態(tài)分配或換號(hào)特別說一下/dev/led權(quán)限問題。device_create創(chuàng)建的節(jié)點(diǎn)默認(rèn)屬主是 root權(quán)限是 0600所以普通用戶echo進(jìn)去必然被拒。臨時(shí)測試用chmod 666沒問題產(chǎn)品上建議寫一個(gè) udev 規(guī)則按 class 和 subsystem 給設(shè)備節(jié)點(diǎn)設(shè)置權(quán)限組這樣每次開機(jī)自動(dòng)生效不依賴手動(dòng)改權(quán)限。6.3 動(dòng)態(tài)主設(shè)備號(hào)對應(yīng)用透明嗎這是許多新手最后會(huì)糾結(jié)的問題如果每次加載主設(shè)備號(hào)都變那我應(yīng)用程序里寫死的mknod或者open路徑怎么辦答案是不用擔(dān)心。/dev/led這個(gè)節(jié)點(diǎn)名是device_create最后一個(gè)參數(shù)決定的和主設(shè)備號(hào)無關(guān)。應(yīng)用層打開設(shè)備用的是路徑名真正打開時(shí) VFS 會(huì)根據(jù)節(jié)點(diǎn)記錄的dev_t找到對應(yīng)的cdev所以你完全不感知主設(shè)備號(hào)是多少。這也正是新版框架的價(jià)值設(shè)備號(hào)是內(nèi)核內(nèi)部資源應(yīng)用只看到設(shè)備節(jié)點(diǎn)名。多 LED 場景就更好理解了。申請兩個(gè)次設(shè)備號(hào)device_create分別創(chuàng)建led0和led1應(yīng)用行為完全一致驅(qū)動(dòng)內(nèi)部通過iminor(inode)區(qū)分控制哪一路。LED 實(shí)驗(yàn)跑通后建議你再補(bǔ)一個(gè)read方法和ioctl把整個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的骨架填滿后面寫按鍵、寫傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)這套框架能直接復(fù)刻。最后提醒一句經(jīng)驗(yàn)調(diào)試階段固定major241方便看現(xiàn)象但產(chǎn)品代碼里一定要默認(rèn)走動(dòng)態(tài)分配。我見過不止一次同事把測試時(shí)的固定設(shè)備號(hào)帶進(jìn)量產(chǎn)程序結(jié)果目標(biāo)板上那個(gè)號(hào)早被別的驅(qū)動(dòng)占走驅(qū)動(dòng)加載直接失敗排查大半天才反應(yīng)過來。新版這套流程看著比老版多一些代碼但每一步都可控、可回滾、可定位等你能不看模板把這個(gè)鏈路默寫出來字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)基本上就入門了。