Linux驱动入门

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 on，led被点亮。

    执行led_test off，led被熄灭。