Linux驱动开发（1）概念、环境与代码框架 - 实践

一、驱动概念

驱动与底层硬件直接打交道，充当了硬件与应用软件中间的桥梁。

1、具体任务

（1）读写设备寄存器（实现控制的方式）

（2）完成设备的轮询、中断处理、DMA通信（CPU与外设通信的方式）

（3）进行物理内存向虚拟内存的映射（在开启硬件MMU的情况下）

2、驱动的定位

Linux系统主要部分：内核、shell、文件系统、应用程序。

内核、shell和文件系统一起形成了基本的操作系统结构，它们使得用户可以运行程序、管理文件并使用系统。分层设计的思想让程序间松耦合，有助于适配各种平台。驱动的上面是系统调用，下面是硬件。

3、驱动的分类

Linux驱动分为三个基础大类：字符设备驱动，块设备驱动，网络设备驱动。

（1）字符设备
        字符(char)设备是个能够像字节流（类似文件）一样被访问的设备。
        对字符设备发出读/写请求时，实际的硬件I/O操作一般紧接着发生。
        字符设备驱动程序通常至少要实现open、close、read和write系统调用。
        比如我们常见的lcd、触摸屏、键盘、led、串口等等，他们一般对应具体的硬件都是进行出具的采集、处理、传输。
（2）块设备
        一个块设备驱动程序主要通过传输固定大小的数据（一般为512或1k）来访问设备。
        块设备通过buffer cache(内存缓冲区)访问，可以随机存取，即：任何块都可以读写，不必考虑它在设备的什么地方。
        块设备可以通过它们的设备特殊文件访问，但是更常见的是通过文件系统进行访问。
        只有一个块设备可以支持一个安装的文件系统。
        比如我们常见的电脑硬盘、SD卡、U盘、光盘等。
（3）网络设备
        任何网络事务都经过一个网络接口形成，即一个能够和其他主机交换数据的设备。
        访问网络接口的方法仍然是给它们分配一个唯一的名字（比如eth0），但这个名字在文件系统中不存在对应的节点。
        内核和网络设备驱动程序间的通信，完全不同于内核和字符以及块驱动程序之间的通信，内核调用一套和数据包传输相关的函（socket函数）而不是read、write等。
        比如我们常见的网卡设备、蓝牙设备。

4、驱动的功能

（1）对设备初始化和释放

（2）把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据

（3）读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据

（4）检测和处理设备出现的错误

二、环境搭建——以树莓派开发板为例

树莓派是ARM架构的开发板。在烧录好系统之后（树莓派的系统烧录是将系统烧录进sd卡），配置无线网络（用于和开发的计算机进行通信）。

下一步，通信成功之后，就要在自己的计算机（以下简称PC）上进行开发。大致的流程如下：

1、安装交叉编译工具链

先去软件源刷新一下最新的软件清单：

sudo apt-get update

然后安装交叉编译器以及相应的一些依赖工具：

sudo apt-get install gcc-arm-linux-gnueabihf build-essential bc bison flex libssl-dev

（1）交叉编译器 gcc-arm-linux-gnueabihf

（2）build-essential

（3）其他工具

（4）交叉编译器的选择

①选择标准

②交叉编译器命名规则

2、下载对应内核源码

对应的，开发板上烧录的是什么系统，就需要下载对应的内核源码，这里是为了后续驱动开发做准备。

git clone --depth=1 --single-branch -b rpi-5.10.y https://github.com/raspberrypi/linux.git

3、获取开发板内核配置文件

每个开发板对应的系统有差异，所以配置文件所在的地方也有差异。这里采用的是安装内核头文件从而获取内核配置文件的方式。

sudo apt-get install raspberrypi-kernel-headers

安装完成之后，会得到一个目录：

/usr/src/linux-headers-$(uname -r)/

这里uname-r作为参数，表示的是正在运行的 Linux 操作系统的内核版本。

接下来讲整个目录打包，通过网络传到云服务器上

cd /usr/src
tar czf linux-headers.tar.gz linux-headers-$(uname -r)
scp linux-headers.tar.gz @:~/

在云服务器上解压：（这里以放到~/目录下为例，实际可以放到一个更干净的目录下）

tar xzf linux-headers.tar.gz -C ~/

4、写驱动的makefile

对于解压后的内核的头文件，需要做的就是在写驱动的makefile的时候放到KDIR里面。

obj-m += mydriver.o
KDIR := /home/xxx/linux-headers-5.10.63-v7l+   # 解压的内核头文件目录
PWD  := $(shell pwd)
all:
$(MAKE) -C $(KDIR) M=$(PWD) ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- modules

这样就能正常编译驱动文件了。

三、驱动编译的两种方式

1、编译进内核

将驱动编译进 Linux 内核中，当 Linux 内核启动的时就会自动运行驱动程序。

2、编译成模块

将驱动编译成模块(Linux 下模块扩展名为.ko)，在Linux 内核启动以后使用相应命令加载驱动模块。

内核模块是Linux内核向外部提供的一个插口；内核模块是具有独立功能的程序，他可以被单独编译，但不能单独运行。他在运行时被链接到内核作为内核的一部分在内核空间运行；内核模块便于驱动、文件系统等的二次开发。

四、驱动框架

1、模块加载函数

module_init(xxx_init);

module_init 函数用来向 Linux 内核注册一个模块加载函数，参数 xxx_init 就是需要注册的具体函数（理解是模块的构造函数），当加载驱动的时， xxx_init 这个函数就会被调用。

2、模块卸载函数

module_exit(xxx_exit);

module_exit函数用来向 Linux 内核注册一个模块卸载函数，参数 xxx_exit 就是需要注册的具体函数（理解是模块的析构函数），当使用“rmmod”命令卸载具体驱动的时候 xxx_exit 函数就会被调用

3、模块许可证明

MODULE_LICENSE("GPL") //添加模块 LICENSE 信息 ,LICENSE 采用 GPL 协议

4、模块参数（可选）

模块参数是一种内核空间与用户空间的交互方式，只不过是用户空间 --> 内核空间单向的，他对应模块内部的全局变量。

5、模块信息（可选）

MODULE_AUTHOR("songwei") //添加模块作者信息

6、模块打印printk

printk在内核中用来记录日志信息的函数，只能在内核源码范围内使用。和printf非常相似。
printk函数主要做两件事情：①将信息记录到log中 ②调用控制台驱动来将信息输出

printk打印等级

printk 可以根据日志级别对消息进行分类，一共有 8 个日志级别：

#define KERN_SOH  "\001"
#define KERN_EMERG KERN_SOH "0"  /* 紧急事件，一般是内核崩溃 */
#define KERN_ALERT KERN_SOH "1"  /* 必须立即采取行动 */
#define KERN_CRIT  KERN_SOH "2"  /* 临界条件，比如严重的软件或硬件错误*/
#define KERN_ERR  KERN_SOH "3"  /* 错误状态，一般设备驱动程序中使用KERN_ERR 报告硬件错误 */
#define KERN_WARNING KERN_SOH "4"  /* 警告信息，不会对系统造成严重影响 */
#define KERN_NOTICE  KERN_SOH "5"  /* 有必要进行提示的一些信息 */
#define KERN_INFO  KERN_SOH "6"  /* 提示性的信息 */
#define KERN_DEBUG KERN_SOH "7"  /* 调试信息 */

以下代码就是设置“gsmi: Log Shutdown Reason\n”这行消息的级别为 KERN_EMERG。

printk(KERN_DEBUG"gsmi: Log Shutdown Reason\n");

如果使用 printk 的时候不显式的设置消息级别，那么printk 将会采用默认级别MESSAGE_LOGLEVEL_DEFAULT，默认为 4。

对于控制台打印出的日志，如果代码中的打印等级低于默认控制台打印等级，则不会打印到控制台中。在 include/linux/printk.h 中有个宏 CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT，定义如下：

#define CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT 7

CONSOLE_LOGLEVEL_DEFAULT 控制着哪些级别的消息可以显示在控制台上，此宏默认为 7，意味着只有优先级高于 7 的消息才能显示在控制台上。

这个就是 printk 和 printf 的最大区别，可以通过消息级别来决定哪些消息可以显示在控制台上。默认消息级别为 4，4 的级别比 7 高，所示直接使用 printk 输出的信息是可以显示在控制台上的。

但是，所有打印的信息，不管优先级多少，都可以通过dmesg显示，必要时可以通过管道筛选：dmesg | grep hello

7、模块操作命令

（1）加载模块

①insmod XXX.ko
        为模块分配内核内存、将模块代码和数据装入内存、通过内核符号表解析模块中的内核引用、调用模块初始化函数（module_init）
        insmod要加载的模块有依赖模块，且其依赖的模块尚未加载，那么该insmod操作将失败
②modprobe XXX.ko
        加载模块时会同时加载该模块所依赖的其他模块，提供了模块的依赖性分析、错误检查、错误报告
        modprobe 提示无法打开“modules.dep”这个文件，输入 depmod 命令即可自动生成 modules.dep