通俗易懂，嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)

時(shí)間：2020-09-08 19:52:30

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[導(dǎo)讀]前言上一篇分享的：《從單片機(jī)工程師的角度看嵌入式Linux》中有簡(jiǎn)單提到Linux的三大類驅(qū)動(dòng)：我們學(xué)習(xí)編程的時(shí)候都會(huì)從hello程序開始。同樣的，學(xué)習(xí)Linux驅(qū)動(dòng)我們也從最簡(jiǎn)單的hello驅(qū)動(dòng)學(xué)起。驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層還記得實(shí)習(xí)那會(huì)兒我第一次接觸嵌入式Linux項(xiàng)目的

前言

上一篇分享的：《從單片機(jī)工程師的角度看嵌入式Linux》中有簡(jiǎn)單提到Linux的三大類驅(qū)動(dòng)：

我們學(xué)習(xí)編程的時(shí)候都會(huì)從hello程序開始。同樣的，學(xué)習(xí)Linux驅(qū)動(dòng)我們也從最簡(jiǎn)單的hello驅(qū)動(dòng)學(xué)起。

驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層

還記得實(shí)習(xí)那會(huì)兒我第一次接觸嵌入式Linux項(xiàng)目的時(shí)候，我的導(dǎo)師讓我去學(xué)習(xí)項(xiàng)目的其它模塊，然后嘗試著寫一個(gè)串口相關(guān)的應(yīng)用。

那時(shí)候知道可以把設(shè)備當(dāng)做文件來(lái)操作。但是不知道為什么是這樣，就去網(wǎng)上搜了一些代碼（驅(qū)動(dòng)代碼），然后和我的應(yīng)用代碼放在同一個(gè)文件里。

給導(dǎo)師看了之后，導(dǎo)師說(shuō)那些驅(qū)動(dòng)程序不需要我寫，那些驅(qū)動(dòng)已經(jīng)寫好被編譯到內(nèi)核里了，可以直接用了，我只需關(guān)注應(yīng)用層就好了。我當(dāng)時(shí)腦子里就在打轉(zhuǎn)。。what？

STM32用一個(gè)串口不就是串口初始化，然后想怎么用就怎么用嗎？后來(lái)經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)才知道原來(lái)是那么一回事呀。這就是單片機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)嵌入式Linux的思維誤區(qū)之一。

學(xué)嵌入式Linux之前我們有必要暫時(shí)忘了我們單片機(jī)的開發(fā)方式，重新梳理嵌入式Linux的開發(fā)流程。下面看一下STM32裸機(jī)開發(fā)與嵌入式Linux開發(fā)的一些區(qū)別：

嵌入式Linux的開發(fā)方式與STM32裸機(jī)開發(fā)的方式有點(diǎn)不一樣。在STM32的裸機(jī)開發(fā)中，驅(qū)動(dòng)層與應(yīng)用層的區(qū)分可能沒(méi)有那么明顯，常常都雜揉在一起。

當(dāng)然，有些很有水平的裸機(jī)程序分層分得還是很明顯的。但是，在嵌入式Linux中，驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用的分層是特別明顯的，最直觀的感受就是驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè).c文件里，應(yīng)用程序是另一個(gè).c文件。

比如我們這個(gè)hello驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，我們的驅(qū)動(dòng)程序?yàn)閔ello_drv.c、應(yīng)用程序?yàn)閔ello_app.c。

驅(qū)動(dòng)模塊的加載有兩種方式：第一種方式是動(dòng)態(tài)加載的方式，即驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核分開編譯，在內(nèi)核運(yùn)行的過(guò)程中加載；第二種方式是靜態(tài)加載的方式，即驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核一同編譯，在內(nèi)核啟動(dòng)過(guò)程中加載驅(qū)動(dòng)。

在調(diào)試驅(qū)動(dòng)階段常常選用第一種方式，因?yàn)檩^為方便；在調(diào)試完成之后才采用第二種方式與內(nèi)核一同編譯。

STM32裸機(jī)開發(fā)與嵌入式Linux開發(fā)還有一點(diǎn)不同的就是：STM32裸機(jī)開發(fā)最終要燒到板子的常常只有一個(gè)文件（除開含有IAP程序的情況或者其它情況），嵌入式Linux就需要分開編譯、燒寫。

Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架

我們先看一個(gè)圖：

當(dāng)我們的應(yīng)用在調(diào)用open、close、write、read等函數(shù)時(shí)，為什么就能操控硬件設(shè)備。那是因?yàn)橛序?qū)動(dòng)層在支撐著與硬件相關(guān)的操作，應(yīng)用程序在調(diào)用打開、關(guān)閉、讀、寫等操作會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)層函數(shù)。

本篇筆記我們以hello驅(qū)動(dòng)做分享，hello驅(qū)動(dòng)屬于字符設(shè)備。實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)大概是怎么樣的是有套路可尋的，這個(gè)套路在內(nèi)核文件include/linux/fs.h中，這個(gè)文件中有如下結(jié)構(gòu)體：

這個(gè)結(jié)構(gòu)體里的成員都是些函數(shù)指針變量，我們需要根據(jù)實(shí)際的設(shè)備確定我們需要?jiǎng)?chuàng)建哪些驅(qū)動(dòng)函數(shù)實(shí)體。比如我們的hello驅(qū)動(dòng)的幾個(gè)基本的函數(shù)（打開/關(guān)閉/讀/寫）可創(chuàng)建為（以下代碼來(lái)自：百問(wèn)網(wǎng)）：

（1）打開操作

左右滑動(dòng)查看全部代碼>>>

static int hello_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  return 0;
}

打開函數(shù)的兩個(gè)形參的類型要與struct file_operations結(jié)構(gòu)體里open成員的形參類型一致，里面有一句打印語(yǔ)句，方便直觀地看到驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行過(guò)程。

關(guān)于函數(shù)指針，可閱讀往期筆記：

【C語(yǔ)言筆記】指針函數(shù)與函數(shù)指針？

C語(yǔ)言、嵌入式重點(diǎn)知識(shí)：回調(diào)函數(shù)

（2）關(guān)閉操作

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static int hello_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  return 0;
}

（3）讀操作

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static ssize_t hello_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
  int err;
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  err = copy_to_user(buf, kernel_buf, MIN(1024, size));
  return MIN(1024, size);
}

copy_to_user函數(shù)的原型為：

左右滑動(dòng)查看全部代碼>>>

static inline int copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n);

用該函數(shù)來(lái)讀取內(nèi)核空間（kernel_buf）的數(shù)據(jù)給到用戶空間（buf）。另外，kernel_buf的定義如下：

static char kernel_buf[1024];

MIN為宏：

#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)

把MIN(1024, size)作為copy_to_user的實(shí)參意在對(duì)拷貝的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度做限制（不能超出kernel_buf的大?。?/p>

（4）寫操作

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static ssize_t hello_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
  int err;
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  err = copy_from_user(kernel_buf, buf, MIN(1024, size));
  return MIN(1024, size);
}

copy_from_user函數(shù)的原型為：

左右滑動(dòng)查看全部代碼>>>

static inline int copy_from_user(void *to,const void __user volatile *from,unsigned long n)

用該函數(shù)來(lái)將用戶空間（buf）的數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)核空間（kernel_buf）。

有了這些驅(qū)動(dòng)函數(shù)，就可以給到一個(gè)struct file_operations類型的結(jié)構(gòu)體變量hello_drv，如：

static struct file_operations hello_drv =
{
    .owner   = THIS_MODULE,
    .open    = hello_drv_open,
    .read    = hello_drv_read,
    .write   = hello_drv_write,
    .release = hello_drv_close,
};

有些朋友可能沒(méi)見過(guò)這種結(jié)構(gòu)體初始化的形式（結(jié)構(gòu)體成員前面加個(gè).號(hào)），這是C99及C11標(biāo)準(zhǔn)提出的指定初始化器。具體可以去看往期筆記：【C語(yǔ)言筆記】結(jié)構(gòu)體。

上面這個(gè)結(jié)構(gòu)體變量hello_drv容納了我們hello設(shè)備的驅(qū)動(dòng)接口，最終我們要把這個(gè)hello_drv注冊(cè)給Linux內(nèi)核。

套路就是這樣的：把驅(qū)動(dòng)程序注冊(cè)給內(nèi)核，之后我們的應(yīng)用程序就可以使用open/close/write/read等函數(shù)來(lái)操控我們的設(shè)備，Linux內(nèi)核在這里起到一個(gè)中間人的作用，把兩頭的驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用協(xié)調(diào)得很好。

我們前面說(shuō)了驅(qū)動(dòng)的裝載方式之一的動(dòng)態(tài)裝載：把驅(qū)動(dòng)程序編譯成模塊，再動(dòng)態(tài)裝載。

動(dòng)態(tài)裝載的體現(xiàn)就是開發(fā)板已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行了Linux內(nèi)核，我們通過(guò)開發(fā)板串口終端使用命令來(lái)裝載驅(qū)動(dòng)。裝載驅(qū)動(dòng)有兩個(gè)命令，比如裝載我們的hello驅(qū)動(dòng)：

方法一：insmod hello_drv.ko
方法二：modprobe hello_drv.ko

其中modprobe命令不僅能裝載當(dāng)前驅(qū)動(dòng)，而且還會(huì)同時(shí)裝載與當(dāng)前驅(qū)動(dòng)相關(guān)的依賴驅(qū)動(dòng)。有了轉(zhuǎn)載就有卸載，也有兩種方式：

方法一：rmmod hello_drv.ko
方法二：modprobe -r hello_drv.ko

其中modprobe命令不僅卸載當(dāng)前驅(qū)動(dòng)，也會(huì)同時(shí)卸載依賴驅(qū)動(dòng)。

我們?cè)诖诮K端調(diào)用裝載與卸載驅(qū)動(dòng)的命令，怎么就會(huì)執(zhí)行裝載與卸載操作。對(duì)應(yīng)到驅(qū)動(dòng)程序里我們有如下兩個(gè)函數(shù)：

module_init(hello_init); //注冊(cè)模塊加載函數(shù)
module_exit(hello_exit); //注冊(cè)模塊卸載函數(shù)

這里加載與注冊(cè)有用到hello_init、hello_exit函數(shù)，我們前面說(shuō)的把hello_drv驅(qū)動(dòng)注冊(cè)到內(nèi)核就是在hello_init函數(shù)里做，如：

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static int __init hello_init(void)
{
  int err;

  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
    /* 注冊(cè)hello驅(qū)動(dòng) */
  major = register_chrdev(0, 	/* 主設(shè)備號(hào),為0則系統(tǒng)自動(dòng)分配 */
                    "hello", 	/* 設(shè)備名稱 */
                    &hello_drv); /* 驅(qū)動(dòng)程序 */

  /* 下面操作是為了在/dev目錄中生成一個(gè)hello設(shè)備節(jié)點(diǎn) */
    /* 創(chuàng)建一個(gè)類 */
  hello_class = class_create(THIS_MODULE, "hello_class");
  err = PTR_ERR(hello_class);
  if (IS_ERR(hello_class)) {
    printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
    unregister_chrdev(major, "hello");
    return -1;
  }

    /* 創(chuàng)建設(shè)備，該設(shè)備創(chuàng)建在hello_class類下面 */
  device_create(hello_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "hello"); /* /dev/hello */
	
	return 0;
}

這里這個(gè)驅(qū)動(dòng)程序入口函數(shù)hello_init中注冊(cè)完驅(qū)動(dòng)程序之后，同時(shí)通過(guò)下面連個(gè)創(chuàng)建操作來(lái)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，即在/dev目錄下生成設(shè)備文件。

據(jù)我了解，在之前版本的Linux內(nèi)核中，設(shè)備節(jié)點(diǎn)需要手動(dòng)創(chuàng)建，即通過(guò)創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)命令mknod 在/dev目錄下自己手動(dòng)創(chuàng)建設(shè)備文件。既然已經(jīng)有新的方式創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)了，這里就不摳之前的內(nèi)容了。

以上就是分享關(guān)于驅(qū)動(dòng)一些內(nèi)容，通過(guò)以上分析，我們知道，其是有套路（就是常說(shuō)的驅(qū)動(dòng)框架）可尋的，比如：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
/* 其她頭文件...... */

/* 一些驅(qū)動(dòng)函數(shù) */
static ssize_t xxx_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{

}

static ssize_t xxx_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{

}

static int xxx_open (struct inode *node, struct file *file)
{

}

static int xxx_close (struct inode *node, struct file *file)
{

}
/* 其它驅(qū)動(dòng)函數(shù)...... */

/* 定義自己的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)體 */
static struct file_operations xxx_drv = {
  .owner	 = THIS_MODULE,
  .open    = xxx_open,
  .read    = xxx_read,
  .write   = xxx_write,
  .release = xxx_close,
  /* 其它程序......... */
};

/* 驅(qū)動(dòng)入口函數(shù) */
static int __init xxx_init(void)
{

}

/* 驅(qū)動(dòng)出口函數(shù) */
static void __exit hello_exit(void)
{

}

/* 模塊注冊(cè)與卸載函數(shù) */
module_init(xxx_init);
module_exit(xxx_exit);

/* 模塊許可證（必選項(xiàng)） */
MODULE_LICENSE("GPL");

按照這樣的套路來(lái)開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的，有套路可尋那就比較好學(xué)習(xí)了，至少不會(huì)想著怎么起函數(shù)名而煩惱，哈哈，按套路來(lái)就好。

關(guān)于驅(qū)動(dòng)的知識(shí)，這篇筆記中還可以展開很多內(nèi)容，限于篇幅就不展開了。我們之后再進(jìn)行學(xué)習(xí)、分享。

下面看一下測(cè)試程序/應(yīng)用程序（hello_drv_test.c中的內(nèi)容，以下代碼來(lái)自：百問(wèn)網(wǎng)）：

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

/*
 * ./hello_drv_test -w abc
 * ./hello_drv_test -r
 */
int main(int argc, char **argv)
{
  int fd;
  char buf[1024];
  int len;

  /* 1. 判斷參數(shù) */
  if (argc < 2)
  {
    printf("Usage: %s -w <string>\n", argv[0]);
    printf(" %s -r\n", argv[0]);
    return -1;
  }

  /* 2. 打開文件 */
  fd = open("/dev/hello", O_RDWR);
  if (fd == -1)
  {
    printf("can not open file /dev/hello\n");
    return -1;
  }

  /* 3. 寫文件或讀文件 */
  if ((0 == strcmp(argv[1], "-w")) && (argc == 3))
  {
    len = strlen(argv[2]) + 1;
    len = len < 1024 ? len : 1024;
    write(fd, argv[2], len);
  }
  else
  {
    len = read(fd, buf, 1024);		
    buf[1023] = '\0';
    printf("APP read : %s\n", buf);
  }

  close(fd);

  return 0;
}

就是一些讀寫操作，跟我們學(xué)習(xí)文件操作是一樣的。學(xué)單片機(jī)的有些朋友可能不太熟悉main函數(shù)的這種寫法：

int main(int argc, char **argv)

main函數(shù)在C中有好幾種寫法（可查看往期筆記：main()函數(shù)有哪幾種形式？），在Linux中常用這種寫法。

argc與argv這兩個(gè)值可以從終端（命令行）輸入，因此這兩個(gè)參數(shù)也被稱為命令行參數(shù)。argc為命令行參數(shù)的個(gè)數(shù)，argv為字符串命令行參數(shù)的首地址。

最后，我們把編譯生成的驅(qū)動(dòng)模塊hello_drv.ko與應(yīng)用程序hello_drv_test放到共享目錄錄nfs_share中，同時(shí)在開發(fā)板終端掛載共享目錄：

mount -t nfs -o nolock,vers=4 192.168.1.104:/home/book/nfs_share /mnt

關(guān)于ntf網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)的使用可查看往期筆記：【Linux筆記】掛載網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)。

然后我們通過(guò)insmod 命令裝載驅(qū)動(dòng)，但是出現(xiàn)了如下錯(cuò)誤：

這是因?yàn)槲覀兊尿?qū)動(dòng)的編譯依賴與內(nèi)核版本，編譯用的內(nèi)核版本與當(dāng)前開發(fā)板運(yùn)行的內(nèi)核的版本不一致所以會(huì)產(chǎn)生該錯(cuò)誤。

重新編譯內(nèi)核，并把編譯生成的Linux內(nèi)核zImage映像文件與設(shè)備樹文件*.dts文件拷貝到開發(fā)板根文件系統(tǒng)的/boot目錄下，然后進(jìn)行同步操作：

#mount -t nfs -o nolock,vers=4 192.168.1.114:/home/book/nfs_share /mnt
#cp /mnt/zImage /boot
#cp /mnt/.dtb /boot
#sync

下面是完整的hello驅(qū)動(dòng)程序（來(lái)源：百問(wèn)網(wǎng)）：

左右滑動(dòng)查看全部代碼>>>

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>

/* 1. 確定主設(shè)備號(hào) */
static int major = 0;
static char kernel_buf[1024];
static struct class *hello_class;


#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)

/* 3. 實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的open/read/write等函數(shù)，填入file_operations結(jié)構(gòu)體 */
static ssize_t hello_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
  int err;
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  err = copy_to_user(buf, kernel_buf, MIN(1024, size));
  return MIN(1024, size);
}

static ssize_t hello_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
  int err;
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  err = copy_from_user(kernel_buf, buf, MIN(1024, size));
  return MIN(1024, size);
}

static int hello_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  return 0;
}

static int hello_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  return 0;
}

/* 2. 定義自己的file_operations結(jié)構(gòu)體 */
static struct file_operations hello_drv =
{
  .owner	 = THIS_MODULE,
  .open    = hello_drv_open,
  .read    = hello_drv_read,
  .write   = hello_drv_write,
  .release = hello_drv_close,
};

/* 4. 把file_operations結(jié)構(gòu)體告訴內(nèi)核：注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序 */
/* 5. 誰(shuí)來(lái)注冊(cè)驅(qū)動(dòng)程序??？得有一個(gè)入口函數(shù)：安裝驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，就會(huì)去調(diào)用這個(gè)入口函數(shù) */
static int __init hello_init(void)
{
  int err;

  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  major = register_chrdev(0, "hello", &hello_drv);  /* /dev/hello */


  hello_class = class_create(THIS_MODULE, "hello_class");
  err = PTR_ERR(hello_class);
  if (IS_ERR(hello_class)) {
    printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
    unregister_chrdev(major, "hello");
    return -1;
  }

  device_create(hello_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "hello"); /* /dev/hello */

  return 0;
}

/* 6. 有入口函數(shù)就應(yīng)該有出口函數(shù)：卸載驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，就會(huì)去調(diào)用這個(gè)出口函數(shù) */
static void __exit hello_exit(void)
{
  printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
  device_destroy(hello_class, MKDEV(major, 0));
  class_destroy(hello_class);
  unregister_chrdev(major, "hello");
}


/* 7. 其他完善：提供設(shè)備信息，自動(dòng)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn) */

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

-END-

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