Linux 驱动核心知识

一、Linux 设备驱动模型

1. Linux 设备驱动模型的核心组件

kobject：最基础对象，提供引用计数、sysfs 文件系统导出、对象生命周期管理；
kset：kobject 的集合，按类别管理同类 kobject（如所有设备对象），支持统一事件处理；
bus：总线抽象（如 platform/I2C/spi），是设备与驱动的连接媒介，定义匹配/解绑规则；
device：表示硬件设备（物理/逻辑），存储设备属性、父/子设备关系，关联到具体总线；
driver：驱动抽象，包含 probe（设备匹配后初始化）、remove（设备移除时清理）等核心接口；
class：按功能归类设备（如 led/input），简化用户态访问（/sys/class/）。

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2. 驱动和设备是如何匹配的

核心基于总线的匹配函数，分三类场景：

设备树匹配（主流）：驱动的of_match_table中compatible属性，与设备树中设备节点的compatible字符串匹配；
ID 匹配：驱动的 id_table（如 I2C 的 driver.id_table）与设备的 ID（如 I2C 的 client.addr）匹配；
平台总线匹配：平台设备（platform_device）的name与平台驱动（platform_driver）的driver.name完全匹配；
匹配成功后，总线调用驱动的 probe 函数完成设备初始化。

3. 设备树在驱动开发中的作用

硬件解耦：将硬件参数（寄存器地址、GPIO、中断号、时钟）从驱动代码中剥离，集中在设备树（.dts），无需修改驱动适配不同硬件；
动态配置：运行时通过设备树解析硬件信息，支持多平台复用同一驱动；
标准化：遵循 DTB 规范，统一硬件描述格式，简化驱动移植；
资源管理：驱动通过of_接口（如of_get_address）获取硬件资源，替代传统platform_get_resource。

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二、GPIO 子系统

1. GPIO 子系统架构

底层：GPIO 控制器硬件驱动（如芯片级 GPIO 控制器），实现寄存器操作（方向/电平/中断）；
核心层（gpiolib）：提供统一的 GPIO 抽象接口（gpio_request/gpio_set_value），屏蔽不同控制器的硬件差异；
上层：驱动层调用 gpiolib 接口操作 GPIO，支持设备树解析、中断映射、sysfs 导出。

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2. GPIO 子系统实现（核心逻辑）

GPIO 控制器注册：驱动实现gpio_chip结构体（包含方向/电平/中断操作接口），通过gpiochip_add_data注册到 gpiolib；
GPIO 编号管理：为每个 GPIO 分配全局编号（静态/base 或动态），关联到具体控制器；
GPIO 请求/释放：驱动通过gpio_request申请 GPIO（防止冲突），gpio_free释放；
电平/方向操作：通过gpio_direction_input/output设置方向，gpio_get_value/set_value读写电平。

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3. GPIO 子系统的主要组件

gpio_chip：表示一个 GPIO 控制器，包含控制器的硬件操作接口（如方向设置、电平读写）；
gpio_desc：单个 GPIO 引脚的描述符，存储 GPIO 编号、方向、电平、中断属性、所属gpio_chip；
gpiolib：核心库，提供 GPIO 申请、释放、电平操作、中断映射的统一接口；
GPIO 控制器驱动：硬件层实现，对具体芯片的 GPIO 寄存器（如 NXP 高通 GPIO 控制器）操作。

4. 如何在驱动中使用 GPIO

// 1. 从设备树获取GPIO编号
int gpio_num = of_get_named_gpio(np, "reset-gpio", 0);
// 2. 申请GPIO
if (gpio_request(gpio_num, "reset-gpio") < 0) return –EBUSY;
// 3. 设置方向（输出）
gpio_direction_output(gpio_num, 1);
// 4. 操作电平
gpio_set_value(gpio_num, 0); // 拉低
// 5. 释放GPIO（驱动卸载时）
gpio_free(gpio_num);

进阶：使用devm_gpio_request（设备管理接口），自动释放 GPIO，避免内存泄漏。

5. GPIO 中断是如何实现

中断映射：通过gpio_to_irq将 GPIO 编号转换为中断号；
申请中断：调用request_irq注册中断处理函数，指定触发方式（上升沿/下降沿/双边沿）；
硬件触发：GPIO 引脚电平变化触发控制器中断，内核调用注册的中断处理函数；
中断释放：驱动卸载时调用free_irq释放中断。

示例：

int irq_num = gpio_to_irq(gpio_num);
request_irq(irq_num, gpio_irq_handler, IRQF_TRIGGER_RISING, "gpio-irq", dev);

三、Pinctrl 子系统

1. Pinctrl 子系统架构

核心层：提供引脚复用、配置（上拉/下拉/速率）的统一接口；
硬件层：芯片级 pinctrl 驱动（如 pinctrl-s32k），实现寄存器级引脚配置；
设备树层：描述引脚组（pin group）、复用功能（function）、配置属性；
接口层：驱动通过pinctrl_get/pinctrl_select_state调用配置。

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2. Pinctrl 子系统实现（核心步骤）

pinctrl 驱动注册：实现pinctrl_desc结构体（包含引脚配置、复用接口），通过pinctrl_register注册；
设备树解析：解析设备节点的pinctrl-0/pinctrl-names属性，获取引脚状态（默认/休眠）；
引脚配置：驱动通过pinctrl_select_state选择引脚状态，底层驱动修改寄存器配置复用/上下拉。

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3. Pinctrl 子系统的作用

引脚复用：配置引脚功能（如同一引脚切换为 GPIO/I2C_SDA/SPI_CLK）；
引脚配置：设置引脚的电气特性（上拉/下拉/驱动强度、速率、开漏/推挽）；
引脚管理：统一管理系统所有引脚，避免引脚冲突；
状态切换：支持引脚在不同状态（默认/休眠/唤醒）下的配置切换，适配低功耗场景。

4. Pinctrl 与 GPIO 子系统的关系

依赖关系：GPIO 引脚必须先通过 Pinctrl 配置为 “GPIO 功能”，才能被 GPIO 子系统操作；
分工不同：Pinctrl 负责引脚的 “复用+电气配置”（硬件属性），GPIO 负责引脚的 “方向+电平+中断”（功能操作）；
流程联动：驱动先通过 Pinctrl 将引脚设为 GPIO 模式，再调用 GPIO 子系统操作电平/中断。

5. 设备树中描述 Pinctrl 配置

// 1. 定义引脚组和配置
pinctrl@40014000 {
pinctrl_my_gpio: my-gpio-grp {
pinctrlx = <PIN_PA0L_GPIOx>; // 复用为GPIO
bias-pull-up; // 上拉
drive-strength = <20>; // 驱动强度20mA
};
};
// 2. 设备节点引用
my_device {
compatible = "vendor,my-device";
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_my_gpio>; // 关联引脚配置
reset-gpio = <&gpioa 1 GPIO_ACTIVE_LOW>;
};

四、I2C 子系统

1. I2C 子系统架构

硬件层：I2C 控制器驱动（如 I2c-imx），实现总线时序（START/STOP/ACK）、寄存器操作；
核心层：I2C 核心（i2c-core），提供总线管理、设备/驱动注册、数据传输接口；
设备层：i2c_client（表示 I2C 设备），关联设备地址、总线号、设备树节点；
驱动层：i2c_driver（I2C 设备驱动），实现 probe/remove、数据传输接口。

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2. I2C 子系统实现（核心逻辑）

控制器注册：I2C 控制器驱动通过i2c_add_adapter注册适配器（i2c_adapter）；
设备注册：从设备树解析 I2C 设备节点，创建i2c_client并关联到适配器；
驱动匹配：i2c_driver的of_match_table与i2c_client的设备树节点匹配，调用 probe；
数据传输：驱动通过i2c_transfer/i2c_smbus_read/write完成数据收发。

3. I2C 子系统的主要组件

i2c_adapter：表示 I2C 控制器（适配器），管理一条 I2C 总线，提供时序驱动；
i2c_client：表示总线上的 I2C 设备，包含设备地址、所属 adapter、设备树信息；
i2c_driver：I2C 设备驱动，包含匹配表、probe/remove、数据传输接口；
i2c_msg：I2C 传输消息结构体，描述传输方向、地址、数据长度、数据缓冲区；
i2c-core：核心层，负责 adapter/client/driver 的管理、匹配、传输调度。

4. I2C 设备驱动如何与设备匹配

设备树匹配（主流）：i2c_driver的of_match_table中compatible与设备树 I2C 子节点的compatible匹配；
ID 匹配：i2c_driver的id_table（包含设备名/地址）与i2c_client的name/addr匹配；
名称匹配：i2c_driver 的 driver.name 与 i2c_client 的 name 匹配；
匹配成功后，内核调用 i2c_driver 的 probe 函数，传入 i2c_client。

5. 如何在 I2C 驱动中进行数据传输

// 方式1：i2c_transfer（通用）
struct i2c_msg msgs[] = {
// 第一步：读寄存器地址
{ .addr = client->addr, .flags = 0, .len = 1, .buf = &reg_addr },
// 第二步：读寄存器数据
{ .addr = client->addr, .flags = I2C_M_RD, .len = 2, .buf = data_buf },
};
i2c_transfer(client->adapter, msgs, ARRAY_SIZE(msgs));

// 方式2：i2c_smbus（简化）
u16 data = i2c_smbus_read_word_data(client, reg_addr);

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五、SPI 子系统

1. SPI 子系统架构

硬件层：SPI 控制器驱动（如 spi-imx），实现 SPI 时序（CLK/MOSI/MISO/CS）、寄存器操作；
核心层：SPI 核心（spi-core），管理适配器、设备、驱动，提供传输接口；
设备层：spi_device（SPI 设备），包含片选号、传输模式、速率、设备树信息；
驱动层：spi_driver（SPI 设备驱动），实现 probe/remove、数据传输逻辑。

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2. SPI 子系统实现（核心逻辑）

控制器注册：SPI 控制器驱动通过spi_register_master注册主控制器（spi_master）；
设备注册：从设备树解析 SPI 子节点，创建spi_device并关联到spi_master；
驱动匹配：spi_driver的of_match_table与spi_device的设备树节点匹配，调用 probe；
数据传输：驱动通过spi_transfer/spi_write/read完成数据收发。

3. SPI 子系统的主要组件

spi_master：表示 SPI 控制器（主设备），管理一条 SPI 总线，提供时序驱动；
spi_device：表示 SPI 从设备，包含片选号、传输速率、模式（CPOL/CPHA）、所属 master；
spi_driver：SPI 设备驱动，包含匹配表、probe/remove、数据传输接口；
spi_message：SPI 传输消息，包含多个spi_transfer，支持链式传输；
spi_transfer：单个 SPI 传输单元，描述传输方向、数据长度、缓冲区、片选控制。

4. SPI 设备驱动如何与设备匹配

设备树匹配（主流）：spi_driver的of_match_table中compatible与设备树 SPI 子节点的compatible匹配；
ID 匹配：spi_driver的id_table（设备名）与spi_device的modalias匹配；
名称匹配：spi_driver 的 driver.name 与 spi_device 的 modalias 匹配；
匹配成功后，内核调用 spi_driver 的 probe 函数，传入 spi_device。

5. 如何在 SPI 驱动中进行数据传输

// 构造传输结构体
struct spi_transfer t = {
.tx_buf = tx_buf, // 发送缓冲区
.rx_buf = rx_buf, // 接收缓冲区
.len = 4, // 传输长度
.speed_hz = 1000000, // 速率1MHz
.cs_change = 0, // 传输后不释放CS
};
struct spi_message msg;
spi_message_init(&msg);
spi_message_add_tail(&t, &msg);
// 执行传输
spi_sync(spi, &msg);

六、设备树与驱动匹配

1. 设备树中的 compatible 属性有什么作用？

核心作用：驱动与设备的匹配关键字，是设备树匹配的核心依据；
格式规则：字符串格式为 “厂商名，设备名”（如 “nxp,s32k344-i2c”），可包含多个字符串（兼容不同驱动）；
匹配逻辑：驱动的of_match_table遍历compatible字符串列表，只要有一个匹配即触发 probe；
兼容性：支持 “向下兼容”（如新设备兼容旧驱动的compatible字符串）。

2. 驱动如何获取设备树中的属性

通过内核of_系列接口解析：

struct device_node *np = dev->of_node;
// 1. 获取整型属性
u32 reg_val;
of_property_read_u32(np, "reg", &reg_val);
// 2. 获取字符串属性
char name[32];
of_property_read_string(np, "name", name);
// 3. 获取地址属性
struct resource res;
of_address_to_resource(np, 0, &res);
// 4. 获取数组属性
u32 arr[4];
of_property_read_u32_array(np, "data-arr", arr, 4);

3. 如何处理设备树中的 GPIO 描述

设备树描述格式：gpio = <&gpio控制器引脚号标志>;（如reset-gpio = <&gpioa 5 GPIO_ACTIVE_LOW>;）；
驱动解析：

// 方式1：直接获取GPIO编号
int gpio = of_get_named_gpio(np, "reset-gpio", 0);
// 方式2：获取gpio_desc（推荐，支持更多特性）
struct gpio_desc *desc = gpiod_get_from_of_node(np, "reset-gpio", 0,
GPIOD_OUT_HIGH, NULL);
// 操作GPIO
gpiod_set_value(desc, 0);
// 释放
gpiod_put(desc);

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七、驱动框架综合应用

1. 如何确保驱动资源的正确释放

设备管理接口（devm_*）：优先使用devm_kzalloc/devm_gpio_request/devm_request_irq，内核自动在设备卸载时释放资源，避免手动泄漏；
remove/exit 函数：在驱动remove（设备移除）/exit（模块卸载）函数中，释放未使用 devm 的资源（如手动分配的内存、注册的字符设备）；
错误回滚：probe 函数中，若某一步失败，回滚已分配的资源（如 goto 清理）；

示例：

int my_probe(...) {
void *ptr = devm_kzalloc(dev, size, GFP_KERNEL);
int irq = devm_request_irq(dev, irq_num, handler, 0, "irq", dev);
if (irq < 0) return irq; // 自动释放ptr
// devm资源无需手动回滚
struct cdev *cdev = cdev_alloc();
if (!cdev) {
ret = –ENOMEM;
goto err_cdev;
}
return 0;
err_cdev:
// 手动释放非devm资源
ret = –ENOMEM;
}
void my_remove(...) {
// 仅释放非devm资源
cdev_del(cdev);
}

2. 如何处理驱动的依赖关系

模块依赖：通过MODULE_DEPENDS声明依赖模块（如MODULE_DEPENDS("i2c-core")），或modprobe时指定依赖；
总线依赖：确保驱动依赖的总线（如 I2C/spi）已加载，可在 probe 中检查总线状态；
硬件依赖：通过设备树depends-on属性，确保依赖设备先初始化；
运行时依赖：使用devm_phandle_domain_attach/clk_prepare_enable等接口，确保时钟/电源/复位等依赖资源就绪后，再初始化驱动；
加载顺序：通过initcall_level（如module_init/late_initcall）调整驱动加载顺序，核心依赖先加载。

3. 如何调试 Linux 驱动问题

（1）内核日志调试

核心工具：dmesg/cat /var/log/kern.log，驱动中用dev_info/dev_err/pr_debug打印日志；
动态调试：开启CONFIG_DYNAMIC_DEBUG，通过echo "file my_driver.c +p" > /sys/kernel/debug/dynamic_debug/control打开调试日志。

（2）硬件调试

示波器/逻辑分析仪：抓取总线时序（I2C/SPI/GPIO），排查电平异常、时序不匹配；
万用表：测量电源/引脚电平，排查短路、供电异常。

（3）内核调试工具

kgdb：内核远程调试，断点调试驱动代码；
ftrace：跟踪函数调用（如 probe/remove）、中断执行时间；
perf：分析驱动性能瓶颈（如 CPU 占用、函数耗时）；
sysfs/procfs：导出驱动状态（如/sys/class/gpio//proc/interrupts），查看资源占用。

（4）常见问题排查

匹配失败：检查设备树compatible与驱动of_match_table是否一致；
probe 不执行：检查总线是否注册、设备是否存在、资源是否冲突；
数据传输失败：检查硬件时序、地址、校验位，打印传输数据缓冲区。