Linux 驱动开发随笔：给自家温湿度传感器写个驱动模块

前言：不仅仅是 Hello World

在 Linux 世界里，写个 “Hello World” 的内核模块 (Kernel Module) 并不难。
module_init, printk, insmod，三连招一气呵成。
但这种玩具模块除了污染 dmesg 之外，毫无用处。

真正的驱动开发，是要和硬件打交道的。
今天我们就来玩点真实的：给我桌上的 DHT11 温湿度传感器 写一个 Linux 字符设备驱动，让用户态程序能通过 cat /dev/dht11 直接读出当前的温度和湿度。

这涉及到 GPIO 控制、微秒级时序模拟、中断处理以及 Linux 设备模型。

1. 硬件时序分析

DHT11 是个很“古老”的单总线设备。它没有 I2C/SPI 那么标准的协议，全靠一根线的高低电平长短来通信。

通信过程（由主机发起）：

1. 主机拉低至少 18ms (Start Signal)。
2. 主机拉高 20-40us。
3. DHT11 拉低 80us (Response)。
4. DHT11 拉高 80us。
5. 接下来发送 40 bit 数据 (5 Bytes)：湿度整数、湿度小数、温度整数、温度小数、校验和。
   • 每一 bit 都是以 50us 低电平开始。
   • 既然是高电平：26-28us 表示 ‘0’，70us 表示 ‘1’。

难点：Linux 是非实时操作系统 (Not RTOS)。你在内核里用 udelay 忙等待时，可能会被中断打断，导致时序偏差。但对于 DHT11 这种慢速设备，关中断忙等 (Spinlock irqsave) 勉强能用。

2. 驱动框架搭架子

我们需要注册一个字符设备 (Character Device) 和一个杂项设备 (Misc Device)。Misc 能够自动分配主设备号，比较省事。

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/uaccess.h> // copy_to_user

#define DHT11_PIN 17 // 假设接在 GPIO 17

static int dht11_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    return 0; // 没什么要初始化的
}

static ssize_t dht11_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) {
    // 这里是核心逻辑
    // 1. 读取传感器数据
    // 2. copy_to_user 返回给用户
    return 0;
}

static struct file_operations dht11_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = dht11_open,
    .read = dht11_read,
};

static struct miscdevice dht11_misc = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = "dht11",
    .fops = &dht11_fops,
};

static int __init dht11_init(void) {
    int ret;
    
    // 申请 GPIO
    ret = gpio_request(DHT11_PIN, "dht11");
    if (ret) return ret;
    
    // 注册杂项设备
    return misc_register(&dht11_misc);
}

static void __exit dht11_exit(void) {
    misc_deregister(&dht11_misc);
    gpio_free(DHT11_PIN);
}

module_init(dht11_init);
module_exit(dht11_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

3. 核心读取逻辑：在内核里“数脉冲”

在 dht11_read 里，我们需要极其精准地控制 GPIO。

static int read_dht11_data(unsigned char *data) {
    int i, j;
    unsigned long flags;
    
    // 必须关中断！不然 50us 的延时要是被 CPU 调度走了，数据就读歪了
    local_irq_save(flags);
    
    // 1. 发送开始信号
    gpio_direction_output(DHT11_PIN, 0);
    mdelay(20); // 拉低 20ms
    gpio_direction_output(DHT11_PIN, 1); // 拉高
    udelay(30);
    
    // 2. 切换到输入模式，准备读
    gpio_direction_input(DHT11_PIN);
    
    // 等待 DHT11 响应 (Low 80us -> High 80us)
    if (gpio_get_value(DHT11_PIN)) {
        local_irq_restore(flags);
        return -EIO; // 没响应
    }
    while (!gpio_get_value(DHT11_PIN)); // 等待低电平结束
    while (gpio_get_value(DHT11_PIN));  // 等待高电平结束
    
    // 3. 读 40 bits
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        data[i] = 0;
        for (j = 0; j < 8; j++) {
            while (!gpio_get_value(DHT11_PIN)); // 等待 50us 低电平过去
            
            udelay(40); // 延时 40us 看看
            
            if (gpio_get_value(DHT11_PIN)) {
                // 如果 40us 后还是高，说明是 '1' (因为 '0' 只有 26us 高)
                data[i] |= (1 << (7 - j));
                while (gpio_get_value(DHT11_PIN)); // 等完剩下的高电平
            }
        }
    }
    
    local_irq_restore(flags);
    
    // 校验和
    if (data[4] != (data[0] + data[1] + data[2] + data[3])) {
        return -EILSEQ; // 校验失败
    }
    
    return 0;
}

4. 将结果传回用户空间

内核拿到 data[5] 数组后，不能直接 return 也就是 C 语言数组。我们需要按照字符串格式化一下，然后用 copy_to_user 搬运到用户空间的 buffer。

static ssize_t dht11_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) {
    unsigned char data[5];
    char kbuf[64];
    int len;
    
    if (read_dht11_data(data) != 0) {
        return -EIO;
    }
    
    // 格式化： "Temp: 25 C, Hum: 60 %\n"
    len = sprintf(kbuf, "Temp: %d C, Hum: %d %%\n", data[2], data[0]);
    
    if (copy_to_user(buf, kbuf, len)) {
        return -EFAULT;
    }
    
    return len; // 返回读取的字节数
}

5. 编译与测试

我们需要一个 Makefile，指向内核源码构目录。

obj-m += dht11_driver.o
KDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build

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

编译完成后：

$ sudo insmod dht11_driver.ko
$ dmesg | tail
[ 123.456] dht11: probe success

$ sudo cat /dev/dht11
Temp: 24 C, Hum: 50 %

6. 总结：内核态的“特权”与“危险”

写内核模块最爽的地方在于：你拥有了对硬件的绝对控制权。你可以关中断，可以玩死循环，可以读写任意物理地址。

但这也是最危险的。一个 nullptr dereference 就会导致 Kernel Panic，屏幕直接卡死（或者蓝屏）。
所以，谨慎使用 local_irq_save，不要在内核里做繁重的浮点运算（内核一般不支持 FPU），时刻记得检查 copy_to_user 的返回值。

Linux 驱动开发是连接软件与物理世界的桥梁。当你第一次敲下命令，屏幕上显示出真实的物理温度时，那种打通任督二脉的快感，是写 CRUD 永远无法体会的。