Linux驱动入门

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一、驱动简介

        Linux的驱动在本质上就是一种软件程序上层软件可以在不了解硬件特性的情况下通过驱动提供的接口和计算机硬件进行通信。

　　系统调用是内核和应用程序之间的接口而驱动程序是内核和硬件之间的接口。它为应用程序屏蔽了硬件的细节故对应用程序而言硬件设备只是一个设备文件应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。

　　Linux驱动程序只是内核的一部分管理着系统的设备控制器和相应的设备。驱动程序英文名为"Device Driver"全称“设备驱动程序”是一种可以使计算机和设备通信的特殊程序相当于硬件的接口操作系统只有通过这个接口才能控制硬件设备的工作。它主要完成以下几个功能

                1、对设备初始化和释放。

                2、传送数据到硬盘和从硬件读取数据。

                3、检测和处理设备出现的错误。

二、驱动分类

        计算机系统的硬件由CPU、存储器、和外设组成。驱动针对的对象都是存储器和外设。Linux将外设和存储器分为三个基础大类块设备驱动字符设备驱动和网络设备驱动。

2.1、字符设备驱动

        字符设备是指那些必须以串行顺序访问的设备字符设备的I/O操作没有通过缓存。字符设备的操作是以字节为基础的但一次只能执行一个字节的操作。典型的如LCD、串口、LED、蜂鸣器、触摸屏等等。

2.2、块设备驱动

        块设备是相对于字符设备定义的可以以任意顺序进行访问以块为单位进行操作。块设备驱动的读写都有缓存来支持且块设备必须能够随机存取。设备的块大小是设备本身设计时定义好的软件是不能去更改的不同设备的块大小可以不一样。常见的块设备都是存储类设备如硬盘、NandFlash、iNand、SD等等。

2.3、网络设备驱动

        网络设备驱动是专为网卡设计的驱动模型面向数据包的接收和发送而设计的它并不应对于文件系统的节点。即不对应于/dev目录下的设备文件应用程序最终用套间字socket完成与网络设备的接口。

        除网络设备外字符设备和块设备都被映射到Linux文件系统的文件和目录通过文件系统的系统调用接口open(),write(),read(),close()等即可访问字符设备和块设备。块设备比字符设备复杂在它上面会首先建立一个磁盘/Flash文件系统如FAT、EXT3、TAFFS、TFFS等FAT、EXT3、TAFFS、TFF规范了文件和目录在存储介质上的组织。

三、驱动的编译和加载

        Linux设备驱动属于内核的一部分Linux内核的一个模块可以以两种方式被编译和加载。

3.1、编译方式

        内部编译将驱动程序源码放在内核源码目录中进行编译。

        外部编译将驱动程序源码放在内核源码目录外进行编译。

3.2、加载方式

        静态加载编译进uImage中系统启动时直接加载。

        动态加载编译.ko文件动态加载驱动模块。

3.3、编译器

        x86等架构使用gcc即可arm嵌入式设备需要使用相关交叉编译工具链。

        下面是内核模块的例子

#include <linux/module.h>    //所有模块都需要的头文件 
#include <linux/init.h>      // init&exit相关宏 

static int __init hello_init (void) 
{
    printk("Hello module init\n");
    return 0; 
} 

static void __exit hello_exit (void) 
{
    printk("Hello module exit\n");
}

module_init(hello_init); 
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL"); 
MODULE_AUTHOR("LYB");
MODULE_DESCRIPTION("test for linux driver");

        分析上述程序发现一个Linux内核模块需包含模块初始化和模块卸载函数前者在insmod的时候运行后者在rmmod的时候运行。初始化与卸载函数必须在宏module_init和module_exit使用前定义否则会出现编译错误。

        初始化与卸载函数必须在宏module_init和module_exit使用前定义否则会出现编译错误。 程序中的

                MODULE_LICENSE(“GPL”)用于声明模块的许可证。

                MODULE_AUTHOR说明作者信息.。

                MODULE_DESCRIPTION对本驱动的描述。

        如果要将其直接编译入Linux内核则需要将源代码文件拷贝入Linux内核源代码的相应路径里并修改Makefile。

        模块初始化函数的任务是为以后调用模块的函数做准备好像是模块说," 我在这里, 这是我能做的”。

        模块的退出函数( 例子里是 hello_exit )就在模块被卸载时调用.它好像告诉内核, "我不 再在那里了, 不要要求我做任何事了”。

        这种编程的方法类似于事件驱动的编程, 但是虽然不是所有的应用程序都是事件驱动的, 每个内核模块都是。另外一个主要的不同, 在事件驱动的应用程序和内核代码之间, 是退出函数: 一个终止的应用程序可以在释放资源方面 懒惰, 或者完全不做清理工作, 但是模块的退出函数必须小心恢复每个由初始化函数建立的东西, 否则会保留一些东西直到系统重启。

        编写Makerfile文件来进行编译

KERN_DIR ?= /usr/src/linux-headers-$(shell uname -r)/        #内核源码目录/usr/src/linux-headers-$(shell uname -r)/
PWD := $(shell pwd)
 
obj-m := driverTest.ko
 
all:
    make -C $(KERN_DIR) M=$(PWD) modules
 
clean:
    make -C $(KERN_DIR) M=$(PWD) clean

 3.4、驱动加载、卸载及debug

insmod ./hello.ko    // 加载驱动

lsmod                // 查看已加载的驱动
lsmod | grep hello   // 使用grep检索过滤

demsg                // 查看内核打印信息
demsg | grep hello   // 使用grep过滤信息

rmmod hello          // 卸载驱动

四、模块/驱动加载过程

        Insmod 1.ko ->load file in memory->sys_init_module(1.ko, 文件大小, 参数地址)->load_module(hello.ko, 文件大小, 参数地址)。

        模块加载源码分析module_init源码分析_Coder个人博客的博客-CSDN博客。

五、模块/驱动卸载过程

        模块卸载过程

                1、rmmod 模块名调用exit

                2、利用name找到要卸载的模块mod结构。

                3、验证模块的关联关系(被别的模块依赖),有关联关系的模块不能被卸载.

                4、free_module。

        模块卸载源码分析module_exit源码分析_Coder个人博客的博客-CSDN博客。

六、应用层控制设备的流程

        Linux 应用程序对驱动程序的调用如下图所示

        在 Linux 中一切皆为文件驱动加载成功以后会在“/dev”目录下生成一个相应的文件应用程序通过对这个名为“/dev/xxx”(xxx 是具体的驱动文件名字)的文件进行相应的操作即可实现对硬件的操作。比如现在有个叫做/dev/led 的驱动文件此文件是 led 的驱动文件。应用程序使用 open 函数来打开文件/dev/led使用完成以后使用 close 函数关闭/dev/led 这个文件。open 和 close 就是打开和关闭 led 驱动的函数如果要点亮或关闭 led那么就使用write 函数来操作也就是向此驱动写入数据这个数据就是要关闭还是要打开 led 的控制参数。如果要获取 led 灯的状态就用 read 函数从驱动中读取相应的状态。

        应用程序运行在用户空间而 Linux 驱动属于内核的一部分因此驱动运行于内核空间。当我们在用户空间想要实现对内核的操作比如使用 open 函数打开/dev/led 这个驱动因为用户空间不能直接对内核进行操作因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间陷入到内核空间这样才能实现对底层驱动的操作。open、close、write 和 read 等这些函数是有 C 库提供的在 Linux 系统中系统调用作为 C 库的一部分。当我们调用 open 函数的时候流程如下图所示

        其中关于 C 库以及如何通过系统调用陷入到内核空间这个我们不用去管我们重点关注的是应用程序和具体的驱动应用程序使用到的函数在具体驱动程序中都有与之对应的函数比如应用程序中调用了 open 这个函数那么在驱动程序中也得有一个名为 open 的函数。每一个系统调用在驱动中都有与之对应的一个驱动函数在 Linux 内核文件 include/linux/fs.h 中有个叫做 file_operations 的结构体此结构体就是 Linux 内核驱动操作函数集合内容如下所示

struct file_operations {
        struct module *owner;    //owner 拥有该结构体的模块的指针一般设置为 THIS_MODULE。
        loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);//llseek 函数用于修改文件当前的读写位置。
        ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);//read 函数用于读取设备文件。
        ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);//write 函数用于向设备文件写入(发送)数据。
        ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
        ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
        int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
        int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
        unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);//poll 是个轮询函数用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。
        long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);//unlocked_ioctl 函数提供对于设备的控制功能与应用程序中的 ioctl 函数对应。
        long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);//compat_ioctl 函数与 unlocked_ioctl 函数功能一样区别在于在 64 位系统上32 位的应用程序调用将会使用此函数。在 32 位的系统上运行 32 位的应用程序调用的是unlocked_ioctl。
        int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);//mmap 函数用于将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间)一般帧缓冲设备会使用此函数比如 LCD 驱动的显存将帧缓冲(LCD 显存)映射到用户空间中以后应用程序就可以直接操作显存了这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。
        int (*open) (struct inode *, struct file *);//open 函数用于打开设备文件。
        int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
        int (*release) (struct inode *, struct file *);//release 函数用于释放(关闭)设备文件与应用程序中的 close 函数对应。
        int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);//fsync 函数用于刷新待处理的数据用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。
        int (*fasync) (int, struct file *, int);//fasync 函数与 fsync 函数的功能类似只是fasync 是异步刷新待处理的数据。
        int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
        ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
        unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
        int (*check_flags)(int);
        int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
        ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
        ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
        int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);
        long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
                          loff_t len);
        void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);
#ifndef CONFIG_MMU
        unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);
#endif
        ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,
                        loff_t, size_t, unsigned int);
        int (*clone_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *, loff_t,
                        u64);
        ssize_t (*dedupe_file_range)(struct file *, u64, u64, struct file *,
                        u64);
} __randomize_layout;

 七、驱动开发流程

        驱动大致开发流程如下

                1、查看原理图数据手册了解设备的操作方法。

                2、在内核中找到相近的驱动程序作为模板来开发有时要从零开始。

                3、实现驱动程序的初始化比如详内核注册这个驱动程序。

                4、设计所要实现的操作比如open、close、read、writ等函数。

                5、实现中断服务并不是每个设备驱动都必须的。

                6、编译驱动到内核或作为模块动态加载。

                7、测试驱动。

八、LED设备驱动

        led_drv.c文件内容

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/device.h>

#include <asm/io.h>
#include <asm/uaccess.h>

#define GPJ0CON_PHY_ADDR 0xE0200240
#define GPJ0DAT_PHY_ADDR 0xE0200244

static dev_t dev_id;
static struct cdev *led_dev;
static struct class *led_class;

static volatile unsigned int *gpj0_con = NULL;
static volatile unsigned int *gpj0_dat = NULL;

int led_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    unsigned int cfg;

    /* 将GPIO设置为输出模式 */
    cfg = readl(gpj0_con);
    writel(cfg | (1<<12), gpj0_con);
    /* 熄灭led */
    cfg = readl(gpj0_dat);
    writel(cfg | (1<<3), gpj0_dat);

    return 0;
}

ssize_t led_write(struct file *file, const char __user *data, size_t size, loff_t *loff)
{
    int val, ret;
    unsigned int cfg;

    /* 从用户空间拷贝数据 */
    ret = copy_from_user(&val, data, sizeof(val));
    cfg = readl(gpj0_dat);
    if (val == 0) //熄灭
    {
        writel(cfg | (1<<3), gpj0_dat);
    } else if (val == 1) //点亮
    {
        writel(cfg & ~(1<<3), gpj0_dat);
    } else {
        return -1;
    }

    return 0;
}

static struct file_operations led_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open   = led_open,
    .write  = led_write,
};

static __init int led_init(void)
{
    /* 申请设备号 */
    alloc_chrdev_region(&dev_id, 1, 1, "led");

    /* 分配字符设备 */
    led_dev = cdev_alloc();

    /* 设置字符设备 */
    cdev_init(led_dev, &led_fops);

    /* 注册字符设备 */
    cdev_add(led_dev, dev_id, 1);

    /* 创建设备节点 */
        led_class = class_create(THIS_MODULE, "led"); //创建类
        device_create(led_class, NULL, dev_id, NULL, "led"); //创建设备节点

    /* 映射物理地址 */
    gpj0_con = (volatile unsigned int *)ioremap(GPJ0CON_PHY_ADDR, 8);
    gpj0_dat = gpj0_con+1;

    return 0;
}

static __exit void led_exit(void)
{
    /* 注销设备节点 */
    device_destroy(led_class, dev_id);
    class_destroy(led_class);

    /* 注销字符设备 */
    cdev_del(led_dev);
    kfree(led_dev);

    /* 注销注册的设备号 */
    unregister_chrdev_region(dev_id, 1);

    /* 注销映射的地址 */
    iounmap(gpj0_con);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

         Makefile文件内容

KERN_DIR = /work/linux/kernel

all:
        make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules

clean:
        make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
        rm -rf modules.order

obj-m   += led_drv.ko

        修改你的内核源码树执行make生成led_drv.ko通过insmod led_drv.ko加载模块此时将生成/dev/led的设备节点。

        led_test.c文件内容

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define LED_DEV "/dev/led"

int main(int argc, char* argv[])
{
    int val;
    int fd;

    if(argc != 2)
    {
        printf("Usage: %s <on|off>\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    fd = open(LED_DEV, O_RDWR);
    if(fd < 0)
    {
        printf("failed to open %s\n", LED_DEV);
        return -1;
    }

    if(!strcmp(argv[1], "on"))
        val = 1;
    else if(!strcmp(argv[1], "off"))
        val = 0;
    else
    {
        printf("Usage: %s <on|off>\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    write(fd, &val, sizeof(val));

    close(fd);

    return 0;
}

        编译arm-linux-gcc -o led_test led_test.c

        执行led_test onled被点亮。

        执行led_test offled被熄灭。

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