Linux GPIO驱动开发与中断外设控制 - 第1节

1.1 内核模块的概念与结构

Linux 内核模块（Kernel Module）是一段可以在运行时动态加载到内核或从内核卸载的代码片段。它允许在不重新编译整个内核、不重启系统的情况下扩展内核功能。对于驱动开发者而言，模块是承载设备驱动逻辑的基本单元。

1.1.1 模块与应用程序的对比

1.1.2 模块的基本组成

一个标准的内核模块至少包含以下四个要素：

1. 模块许可证声明 —— 使用 MODULE_LICENSE("GPL") 告知内核该模块遵循 GPL 协议。
2. 模块作者与描述 —— MODULE_AUTHOR() 和 MODULE_DESCRIPTION() 提供元信息。
3. 初始化入口 —— 通过 module_init() 宏注册加载时调用的函数。
4. 清理出口 —— 通过 module_exit() 宏注册卸载时调用的函数。

1.2 模块的加载与卸载

Linux 提供了一组用户态工具来管理内核模块的生命周期。最常用的命令是 insmod、rmmod 和 modprobe。

1.2.1 核心命令速查

1.2.2 加载与卸载的完整流程

1. 编译模块：通过 Makefile 调用内核构建系统，生成 .ko 文件。
2. 加载模块：sudo insmod my_module.ko，内核调用 module_init 注册的函数。
3. 验证加载：lsmod 查看模块列表，dmesg | tail 查看内核日志。
4. 卸载模块：sudo rmmod my_module，内核调用 module_exit 注册的函数。
5. 确认卸载：再次 lsmod 确认模块已从列表中移除。

1.3 模块参数传递

内核模块支持在加载时通过命令行传递参数，从而在不重新编译模块的情况下改变其行为。这对于 GPIO 驱动开发尤为重要——例如在加载时指定要控制的 GPIO 引脚编号。

1.3.1 参数声明宏

perm 参数说明： 表示 sysfs 文件系统中的访问权限。0 表示不在 sysfs 中创建对应文件；0644 表示所有用户可读，仅 root 可写；0444 表示只读。

1.3.2 实战示例：带参数的 GPIO 模块

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

/* 模块参数声明 */
static int gpio_pin = 17;           /* 默认使用 GPIO 17 */
static char *gpio_label = "my_led"; /* 默认标签 */

module_param(gpio_pin, int, 0644);
MODULE_PARM_DESC(gpio_pin, "GPIO pin number to control (default: 17)");

module_param(gpio_label, charp, 0444);
MODULE_PARM_DESC(gpio_label, "Descriptive label for the GPIO (default: my_led)");

static int __init gpio_demo_init(void)
{
    printk(KERN_INFO "GPIO Demo: Initializing with pin=%d, label=%s\n",
           gpio_pin, gpio_label);
    /* 此处将调用 gpio_request() 和 gpio_direction_output() */
    return 0;
}

static void __exit gpio_demo_exit(void)
{
    printk(KERN_INFO "GPIO Demo: Exiting, releasing pin %d\n", gpio_pin);
    /* 此处将调用 gpio_free() */
}

module_init(gpio_demo_init);
module_exit(gpio_demo_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Linux Driver Expert");
MODULE_DESCRIPTION("A simple GPIO demo module with parameters");

1.3.3 加载时传递参数

# 使用默认参数加载
sudo insmod gpio_demo.ko

# 自定义参数加载
sudo insmod gpio_demo.ko gpio_pin=23 gpio_label="green_led"

# 查看已加载模块的参数值
cat /sys/module/gpio_demo/parameters/gpio_pin
cat /sys/module/gpio_demo/parameters/gpio_label

# 运行时修改参数（需 perm 包含写权限）
echo 25 | sudo tee /sys/module/gpio_demo/parameters/gpio_pin

1.4 模块的 Makefile 与编译

内核模块不能像普通 C 程序那样直接用 gcc 编译，必须借助内核的构建系统（Kbuild）。以下是一个标准的模块 Makefile 模板：

# Makefile for GPIO demo module

# 内核源码树路径（根据实际环境修改）
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build

# 当前目录
PWD := $(shell pwd)

# 模块名称
obj-m := gpio_demo.o

# 如果模块由多个源文件组成，使用如下语法：
# gpio_demo-objs := main.o gpio_ops.o

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

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

install:
	sudo insmod gpio_demo.ko gpio_pin=23

remove:
	sudo rmmod gpio_demo

# 查看模块信息
info:
	modinfo gpio_demo.ko

1.5 本章小结