Linux驱动篇开篇——《驱动篇》

前言

我们正式迈入 Linux 真正的底层。之前的 Linux 系统编程，多半是在「系统调用之上」写功能，对内核底下究竟做了什么往往只有模糊印象：例如socket 怎样用到网卡、open/write 落盘时块设备栈里发生了什么。带着这些问题，往下看会更有方向。

所以我们本次大章节开始学习Linux驱动，闲话少说我们开始进入真正的硬核。

首先我们先声明一个概念，什么是用户层，什么是内核层。

用户态 vs 内核态

上图展示的就是用户态和内核态的区别。我们之前写的程序其实都是运行在用户态（也叫用户层），在这个状态下，程序本身是不能直接和硬件打交道的，所有对硬件的操作都必须通过内核来实现，也就是经过内核态才能真正和硬件交互。而我们熟悉的单片机开发，程序其实就是直接运行在类似“内核态”的环境里，可以直接控制硬件IO，所以代码会显得很自由甚至有些混乱。Linux为了更好地管理和保护系统，把功能区分得很清楚：内核专注于提供底层功能和安全，上层（用户态）只用关注实现自己的业务逻辑，这样系统更稳定、更安全。

进入内核的编写习惯，建立内核语法

1. 内核代码风格和实现差异

在用户态编程中，我们习惯性地用到很多标准C库函数（如printf,malloc,free等），这些基本都是由glibc来实现的。而进到内核后，情况就大不一样了：

• 标准库不可用: 内核空间没有所谓的标准库，所有的字符串、内存操作、输出输入等都由内核自己提供一套实现，通常有类似但名称不同的函数，比如：
  • 打印调试信息：printk()取代printf()
  • 字符串操作：strcpy、strcat等依然存在，但是在内核单独实现版
  • 内存分配：kmalloc()、kfree()取代用户空间的malloc()、free()
• 头文件不同：包含的头文件都是内核相关，比如<linux/module.h>,<linux/kernel.h>。
• 不能随意使用浮点：内核代码一般不允许使用浮点数运算。
• 不同的规范与约束：内核对代码风格、注释方式、内存管理、同步等有自己的一套严格约束。

举个简单的内核模块代码片段：

#include<linux/init.h>#include<linux/module.h>staticint__inithello_init(void){printk(KERN_INFO"Hello, Linux kernel!\n");return0;}staticvoid__exithello_exit(void){printk(KERN_INFO"Goodbye, Linux kernel!\n");}module_init(hello_init);module_exit(hello_exit);MODULE_LICENSE("GPL");MODULE_AUTHOR("YourName");MODULE_DESCRIPTION("A simple Hello World Linux kernel module");

可以看到，这里用到了printk()进行打印，模块有自己的初始化和退出方式，最后还要添加许可证、作者等信息。

这里只是简要展示一下，驱动的简单写法，有一个初步概念，以及为什么这么写，传统的main函数为什么不见了，我们后续慢慢会讲到。

环境搭建

就比如刚刚的这个实例，我们先不考虑它的功能是什么，我们如何编译、如何先运行跑一下呢，体会一下这个内核编程究竟是怎样的。

当然我们需要一个运行环境。与之前不同的是，这次我们不再完全依赖 VMware 去装一套带桌面的发行版，而是尽量用轻量、偏服务器向的 Linux：没有图形桌面，甚至没有明显的发行版“皮肤”，更接近一台纯净的文本环境。我们在这个环境里观察开机与内核消息，再编译、加载模块，体会驱动是如何真正跑起来的。

kernel.org

Linux内核源码主要存放在www.kernel.org。这个网站包含已经发布的内核版本。世界各地有大量的kernel.org镜像网站。

我们就下载最新的Linux内核来编译启动。6.19.11版本的。

下载下来的Linux内核源码目录结构很庞大，但最顶层目录结构大致如下（简化版）：

linux-6.19.11/ ├── arch/ # 各平台体系结构相关代码 (如x86, arm等) ├── block/ # 块设备子系统 ├── drivers/ # 各类驱动的汇总目录 ├── fs/ # 各种文件系统实现 ├── include/ # 内核所需的头文件 ├── init/ # 引导初始化代码 ├── kernel/ # 核心代码 ├── lib/ # 内核库函数 ├── mm/ # 内存管理 ├── net/ # 网络协议栈 ├── scripts/ # 构建脚本和辅助工具 └── Makefile # 主Makefile入口

这些目录中，drivers/包含了大部分“驱动”实现代码，比如网卡、显卡、串口、I2C、SPI 等各种外设的代码。

下载好之后，我们使用我们的Ubuntu虚拟机进行编译，可以使用之前学习的虚拟机。

编译 Linux 内核

我们的流程大概是这样的：在 Ubuntu 虚拟机（或实体机）里编译一份自己的内核，再用QEMU把这份内核跑起来。

QEMU 是什么

QEMU是一台虚拟机/仿真器：在当前这台 Ubuntu里再跑出一套虚拟的 CPU 和硬件，让你指定的内核镜像和rootfs在里面启动。

可以把它理解成三层套娃：VMware（可选）→ 装 Ubuntu → 在 Ubuntu 里用 QEMU → 跑你编的内核 + 自己做的 rootfs。后两层是我们这篇主要在做的；VMware 只是你平时练系统编程的那层，可有可无。

安装 QEMU（在 Ubuntu 里执行）：

sudoaptupdatesudoaptinstall-yqemu-system-arm qemu-system-x86 qemu-utils

安装编译依赖

安装内核编译依赖（与内核版本配套，一般如下）：

sudoaptinstall-ybuild-essentialbcbison flex libssl-dev libelf-dev libncurses-dev dwarves

• libelf-dev：链接、BTF 等会用到，缺了常见报错。
• libncurses-dev：使用make menuconfig时需要。
• dwarves（含pahole）：部分配置开启 BTF 时工具链会调用，可按报错再装。

配置与编译

进入解压后的内核目录（示例版本号与你下载的一致即可）：

makedefconfig# 可选：make menuconfigmake-j"$(nproc)"

.config是什么（config 的概念）

在这个阶段，config这个词会越听越多，总之就是字面意思，就是一个配置文件。自定义的规则文件，然后照着规则执行。

我们编译的时候要选一个配置，然后编译根据对应的配置进行编译，所以有了make defconfig（选择配置），然后就会把默认配置写到.config里面，再make按.config编译。

• make defconfig：按当前架构载入一份默认配置，生成.config，适合第一次先编通。
• make menuconfig：在终端里图形化菜单增删选项，改完同样写回.config。
• make olddefconfig：升级内核源码后，用旧.config对齐新选项（新项按默认值填），减少手工合并。

最小 rootfs 压缩包（喂给 QEMU）

需要两样东西：内核镜像+根文件系统压缩包。第二样就是你在本机「自己做」的一棵最小目录树，打成一个文件，习惯命名为rootfs.cpio.gz（表示root filesystem；QEMU 参数仍写-initrd，因为内核把它当作 initial ramdisk 加载）。

1. 内核镜像

make编出来即可：

• ARM64：arch/arm64/boot/Image
• x86_64：arch/x86/boot/bzImage

这个我们已经编译出来了，但是我们还缺少根文件系统，如果没有根文件系统，我们连基本的命令行也看不到，ls等命令也用不了，所以根文件系统也就是一套最基本的应用层工具，里面有我们熟悉的基本的命令比如ls,cp…等工具。所以我们要构建一套根文件系统，跟随内核一起给QEMU才能正常启动并使用。

2. 根文件系统包

官方源码：https://busybox.net/downloads/

sudoaptinstall-ybuild-essential libncurses-dev# menuconfig 要 ncursescd~/你的目录(选一个自己的目录，按自己的方式去设计和管理)wgethttps://busybox.net/downloads/busybox-1.36.1.tar.bz2tarxf busybox-1.36.1.tar.bz2cdbusybox-1.36.1makedefconfigmakemenuconfig

在菜单里打开：Busybox Settings→Build static binary (no shared libs)，保存退出（打成静态链接，rootfs 里不用拷glibc动态库，最适合 initramfs 式 rootfs）。然后编译并安装到BusyBox 源码目录下的./rootfs/：

make-j"$(nproc)"makeCONFIG_PREFIX=./rootfsinstallmkdir-p./rootfs/{proc,sys,dev}

这个就是根文件系统的雏形，里面有一些基础命令，你会发现我们平时用的基础命令也就是这些，没有什么好奇怪的，这个和当前你正在用的虚拟机的/usr/bin目录下一样。只不过这个是精简版本的。

cat>./rootfs/init<<'EOF' #!/bin/sh mount -t proc proc /proc mount -t sysfs sysfs /sys mount -t devtmpfs devtmpfs /dev exec /bin/sh EOFchmod+x ./rootfs/init

上面这个是创建启动脚本，也就是我们第一个运行的程序。

# 这条命令的意思是：进入rootfs目录，将里面所有文件和目录用cpio打包成 newc 格式，再用gzip压缩为rootfs.cpio.gz(cd./rootfs&&find.-print0|cpio--null-ov-Hnewc|gzip-9>./rootfs.cpio.gz)# 运行完之后，在 rootfs 目录下会看到 rootfs.cpio.gz$ls# 在 busybox-1.36.1/rootfs 目录下执行bin dev init linuxrc proc root rootfs.cpio.gz sbin sys usr

路径约定（全文统一）：压缩包在busybox-1.36.1/rootfs/rootfs.cpio.gz（即「BusyBox 源码目录 /rootfs/rootfs.cpio.gz」）。下面「运行内核」里的-initrd也按这个路径写；你若改到别的目录，请三处一起改（打包命令、ls、QEMU）。

完成后它就是「最小根文件系统压缩包」，QEMU 里用-initrd指向该文件的绝对路径或相对路径均可。

小结：Image=make产物；rootfs.cpio.gz= 最小目录树打包结果（启动时解压到内存里当根，概念上就叫 rootfs）。

运行内核

qemu-system-aarch64-machinevirt-cpumax-nographic\-kernel/home/jiaju/learn/Linux/Linux_src/linux-6.19.11/arch/arm64/boot/Image\-initrd/home/jiaju/learn/Linux/busybox-1.36.1/rootfs/rootfs.cpio.gz\-append"console=ttyAMA0 rdinit=/init"

说明：

• -kernel：你编出来的Image（或 x86 的bzImage）。
• -initrd：上一步生成的busybox-1.36.1/rootfs/rootfs.cpio.gz（QEMU 参数名仍叫 initrd；文件名叫rootfs.cpio.gz即可）。

运行日志（摘录）

启动时内核会打印很长的日志，大部分与「第一篇认路」关系不大，可略读。下面只保留最能说明「跑通了」的几行：版本号、内核命令行、解压 initramfs、执行/init、进到 shell。

$ qemu-system-aarch64 -machine virt -cpu max -nographic \ -kernel .../linux-6.19.11/arch/arm64/boot/Image \ -initrd .../busybox-1.36.1/rootfs/rootfs.cpio.gz \ -append "console=ttyAMA0 rdinit=/init" [ 0.000000] Linux version 6.19.11 ... [ 0.000000] Kernel command line: console=ttyAMA0 rdinit=/init [ 0.533035] Unpacking initramfs... [ 1.839149] Run /init as init process /bin/sh: can't access tty; job control turned off ~ # ls bin dev init linuxrc proc root rootfs.cpio.gz sbin sys usr ~ # df Filesystem 1K-blocks Used Available Use% Mounted on devtmpfs 21440 0 21440 0% /dev

（can't access tty在-nographic下很常见，一般可忽略。完整日志可自行重定向保存，例如：qemu ... 2>&1 | tee boot.log。）

我们自己手搓出来的内核和最小 rootfs，这样就算跑通了。后面我们围绕这套环境继续往下学 Linux 驱动。

退出 QEMU

用的是-nographic，串口占满当前终端时，可以这样退出：

1. 先按Ctrl+a（按住 Ctrl，按一下 a，然后松开）
2. 再按x

这是 QEMU 默认的「先进入前缀，再发命令」：Ctrl+a是QEMU 监视器/转义前缀，x表示立刻退出。

若无效，多半是前缀被改过，可先试Ctrl+a再按h看帮助，或在另一个终端对 QEMU 进程kill。

注意：在客户机里正在跑的 shell 里，Ctrl+a有时先被 shell 或程序截获；若进不了 QEMU 转义，用Ctrl+a再x仍是最常见做法。

结束

本节弄清了什么是用户态、什么是内核态，知道内核里不能当普通 glibc 程序那样写，并且用QEMU + 自编内核 + BusyBox rootfs跑通了第一个「能进 shell」的 Linux。这节信息量偏大，建议你自己按文档敲一遍，路径以你本机为准对齐即可。