1. 驱动开发概述

Linux驱动开发是嵌入式系统工程师的核心技能。本章从宏观视角梳理驱动分类、内核模块编程模型，并手把手搭建交叉编译环境与内核源码树，为后续GPIO与I2C实战打下坚实基础。

1.1 Linux驱动分类

Linux内核将设备驱动划分为三大类，每一类对应不同的硬件抽象层次和编程接口。理解分类是选择驱动框架的第一步。

1.2 内核模块基础

Linux驱动以内核模块（Kernel Module）的形式存在，支持动态加载和卸载，无需重新编译整个内核。模块编程是驱动开发的最小单元。

1.2.1 模块三要素

• 模块许可证：MODULE_LICENSE("GPL")，避免污染内核符号。
• 模块作者/描述：MODULE_AUTHOR()、MODULE_DESCRIPTION()。
• 入口与出口：module_init() 指定初始化函数，module_exit() 指定清理函数。

1.2.2 最小模块代码示例

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

static int __init hello_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "Hello, GPIO Driver World!\n");
    return 0;
}

static void __exit hello_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "Goodbye, GPIO Driver World!\n");
}

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Driver Expert");
MODULE_DESCRIPTION("A minimal kernel module example");

1.2.3 模块编译与操作命令

1.3 驱动开发环境搭建

嵌入式驱动开发采用“宿主机编译 + 目标板运行”的交叉开发模式。环境搭建包含三大核心组件：交叉编译链、内核源码树、根文件系统。

1.3.1 交叉编译链

交叉编译链运行在x86_64宿主机上，生成ARM（或其他架构）的可执行代码。以ARM Cortex-A7为例，常用工具链为 arm-linux-gnueabihf-。

1.3.2 内核源码树

编译内核模块必须依赖完整的内核源码树，包含头文件、Kconfig、Makefile和编译好的 Module.symvers。源码树路径通常通过 KERNELDIR 变量传递给模块Makefile。

# 模块Makefile示例
obj-m := gpio_driver.o
KERNELDIR ?= /home/embedded/linux-5.10.100
PWD := $(shell pwd)

all:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- modules

clean:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) ARCH=arm clean

1.4 驱动开发全流程SVG架构图

下图展示了从宿主机编写代码到目标板加载驱动的完整链路，包含交叉编译、模块部署、动态加载与用户态交互四个阶段。

1.5 驱动分类与内核模块关系图

下图展示三大驱动类型在内核中的位置，以及内核模块与VFS、硬件层之间的调用关系。

1.6 环境搭建检查清单

在开始GPIO/I2C驱动实战之前，请逐项确认以下环境就绪状态：

1. 交叉编译链：执行 arm-linux-gnueabihf-gcc --version 确认输出正常。
2. 内核源码树：确认 KERNELDIR 路径下存在 include/linux、Makefile、Module.symvers。
3. 目标板内核版本：目标板执行 uname -r，与源码树版本一致。
4. 模块编译测试：编译最小模块 hello.ko，传输至目标板并成功 insmod。
5. 设备节点访问：确认目标板 /dev 目录可写，或使用 mknod 手动创建设备节点权限。