【Linux】Petalinux驱动开发基础

基于Petalinux做Linux驱动开发。

部分图片和经验来源于网络，若有侵权麻烦联系我删除，主要是做笔记的时候忘记写来源了，做完笔记很久才写博客。

专栏目录：记录自己的嵌入式学习之路-CSDN博客

1 一个完整的Linux系统（针对Zynq）

1.1 PS部分

1.2 PL部分（若没用到PL就不需要这个部分）：

2 Petalinux的内核源码获取

3 系统编译过程

4 NFS挂载根文件系统（Rootfs）的条件

5 交叉编译

6 驱动模块的开发

6.1 驱动的运行方式

6.2 file_operations结构体

6.3 驱动模块的加载和卸载

6.4 一个驱动程序必须有的东西

6.5 字符设备的注册和注销

6.6 一个字符设备驱动必须有的东西

6.7 设备号

6.8 内核空间与用户空间

7 地址映射

7.1 相关函数

8 设备树

8.1 是什么

8.2 为什么

8.3 设备树相关概念

8.4 一个典型的设备树文件

8.5 设备树节点的基本格式

8.6 节点属性

8.7 特殊节点

8.8 如何定位一个节点

8.9 内核启动过程中设备树的解析过程

8.10 如何添加一个设备树节点

8.11 如何引用一个节点

8.12 驱动与设备树交互的函数

8.13 设备树使用注意事项

9 内核的内存申请

9.1 常见的作用域

9.2 驱动程序中常使用static的原因

9.3 动态内存申请

9.4 kmalloc函数

9.5 kzalloc函数

9.6 vmalloc函数

9.7 devm_kmalloc/devm_kzalloc函数

9.8 devm_kmalloc_array/kmalloc_array

10 驱动与用户空间的交互函数

10.1 read函数

10.2 write函数

10.3 unlocked_ioctl

10.4 对比

11 ioctl详解

11.1 ioctl协议的命令组成

11.2 ioctl的宏

11.3 用于输入输出的时候需要注意的点

12 Linux开发常用的头文件

12.1 驱动开发头文件

12.2 Linux应用开发头文件

13 Linux驱动开发常用的宏

1 一个完整的Linux系统（针对Zynq）

1.1 PS部分

五大要素：

（1）fsbl(First Stage Boot Loader) -> zynq_fsbl.elf

负责初始化PS部分的硬件并加载第二阶段的引导加载程序。

（2）uboot(Universal Boot Loader) -> u-boot.elf、boot.scr(boot引导)

Bootloader 是在操作系统运行之前执行的一段小程序。通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射表，从而建立适当的系统软硬件环境，为最终调用操作系统内核做好准备。
boot.scr文件则是用于给uboot执行和启动相关的行为的脚本，其中包含了加载内核、设备树、根文件系统等操作，我个人感觉和uboot中的bootm、bootz等命令类似。而这个文件整体又和uboot中bootargs、bootcmd这两个环境变量的作用类似。

（3）设备树文件 -> system.dtb

一种描述硬件的数据结构。

（4）linux内核 -> image.ub、(zImage)、(uImage)

内核是Linux系统的核心，负责管理系统的硬件和软件资源。其中，image.ub可以直接通过uboot上的bootm命令进行Linux的引导启动，也是放在SD卡BOOT分区就能自动引导的内核镜像文件；zImage是一种经过gzip压缩的Linux内核镜像格式；uImage是U-Boot引导加载程序专用的内核镜像格式。它是在zImage或Image（不加压缩的内核镜像）的基础上加上一个U-Boot头部信息（U-BootHeader），使U-Boot能够识别并加载内核镜像。

注：image.ub其实包含了system.bit，zImage，system.dtb三者。

（5）根文件系统 -> rootfs.tar.gz

根文件系统提供了操作系统运行所需的文件和程序。

1.2 PL部分（若没用到PL就不需要这个部分）：

（1）比特流（Bitstream）文件 -> system.bit

FPGA的配置文件，用于初始化PL部分的硬件。

2 Petalinux的内核源码获取

进行驱动开发时往往需要Linux的源码，但在Xilinx的Github中不一定有指定版本（petalinux编译时的版本）的Linux内核源码，例petalinux 2023.1的6.1.5版本的内核就没有打包在那里。

而petalinux编译的过程中，默认是会删除掉其解压出来的源码的。要拿到它编译的源码，可以修改<plnx_proj>/project-spec/meta-user/conf/petalinuxbsp.conf，加上RM_WORK_EXCLUDE += "linux-xlnx"，编译后可以在<plnx_proj>/build/tmp/work-shared/zynq-generic-7z020/kernel-source中获取源码。

若需要uboot源码，则加上RM_WORK_EXCLUDE += “u-boot-xlnx”。

3 系统编译过程

普通的petalinux开发，最后会将fsbl、比特流文件、uboot、设备树这四个部分都打包到一个BOOT.BIN的文件中去。常用命令是：

petalinux-package --boot --fsbl --fpga --u-boot –-force

若进行Linux驱动开发，设备树文件、linux内核、根文件系统以及比特流文件都是有可能经常发生改动的，因此要尽量将这些分离出来。

（1）首先，是在编译时，仅将fsbl和uboot编译并打包进BOOT.BIN中，因为这两个文件基本不会变：

petalinux-build -c bootloader        //编译fsbl
petalinux-build -c u-boot            //编译uboot
petalinux-package --boot --fsbl --u-boot --dtb no –force//打包两者进BOOT.BIN，并放过其他成员。

（2）其次，是petalinux-build后修改boot.scr，因为以这样的方式编译出来的boot.scr脚本的内容是不对的，具体就是：

将部分对uImage的操作改为对zImage的操作（这里主要就是不使用image.ub改用zImage了）；

并添加对system.bit的操作（添加关于比特流的内容是因为没有将比特流打包进BOOT.BIN，过程中生成的boot.sc也因此没有与其相关的操作，所以要手动添加）；

具体可以看正点原子的教程或看正常用petalinux整合编译时的boot.scr文件，这里其实就是将其修改为正常boot.scr该有的样子。最后是将原版改名为boot.cmd.default，并删掉第一行（包含乱码的行）再使用以下命令重新生成为boot.scr：

mkimage -c none -A arm -T script -d boot.cmd.default boot.scr

要重新生成一个boot.scr的理由也很简单，就是因为boot.scr文件的头部带有一些生成的二进制数据，直接修改boot.scr是不行的。

（3）接着，给Linux源码增加设备树文件，从上面编译到的文件中取（路径为<petalinux项目根目录>/components/plnx_workspace/device-tree/device-tree），具体需要pcw.dtsi，pl.dtsi，system-top.dts，zynq-7000.dtsi和system-conf.dtsi这五个。将其放置到源码/arch/arm/boot/dts目录中并根据需要对system-user.dtsi和该目录下的MAKEFILE进行修改。

（4）然后，利用make xilinx_zynq_defconfig命令设置内核配置；并使用make -j8编译内核。该步会在arch/arm/boot中生成所需的内核镜像文件zImage，在arch/arm/boot/dts生成设备树二进制文件system-top.dtb。若仅修改了设备树文件，可以仅编译它，用命令make dts。

（5）其后，回到petalinux项目中，用petalinux-config -c rootfs命令和petalinux-build -c rootfs命令配置并编译根文件系统得到rootfs.tar.gz。

（6）最后，在SD卡的BOOT分区，放入文件。用BOOT.BIN，boot.scr，system.bit，zImage，system.dtb五个文件代替普通Petalinux开发的BOOT.BIN，boot.scr和image.ub三个文件的方案：
        BOOT.BIN ：来自步骤（1），是仅包含fsbl和uboot的启动引导文件；
        boot.scr        ：来自步骤（2），是添加比特流操作行为且更改boot内核行为后的boot脚本；
        system.bit ：来自步骤（1），是petalinux项目生成的比特流文件；
        zImage ：来自步骤（4），是Linux内核；
        system.dtb ：来自步骤（4），由system-top.dtb文件改名获得，是设备树二进制文件。

（7）最最后，将根文件系统解压后放入SD卡的rootfs分区：
rootfs.tar.gz ：来自步骤（5），根文件系统的压缩包。

（附加）使用NFS挂载根文件系统会更好，因为不用经常将SD卡拿出来修改rootfs分区，而boot分区则是进入Linux后随便改，反正进系统后该分区就没有实际的用处了。

4 NFS挂载根文件系统（Rootfs）的条件

（1）Ubuntu安装NFS

sudo apt install nfs-kernel-server

（2）Ubuntu一个创建NFS的挂载路径

假设为/home/xxx/workspace/nfs

（3）Ubuntu修改NFS配置文件

sudo vi /etc/exports

在文件末添加如下内容：

/home/xxx/workspace/nfs *(rw,sync,no_root_squash)

（4）Ubuntu重启rpcbind服务和NFS服务（其实重启系统最好）

sudo /etc/init.d/rpcbind restart
sudo systemctl start nfs-kernel-server.service

（5）网络硬件设置

Zynq开发板（用网线PS口）与Ubuntu（用网络桥接）连接到同一路由器上。

（6）Ubuntu网络软件设置

通过ifconfig命令查看Ubuntu的局域网IP地址、网关地址、掩码等。

（7）Zynq网络软件设置

开机并在倒计时前回车进入uboot，使用dhcp命令自动获取IP，依次使用以下命令将相关配置写入开发板，具体IP要根据实际情况更改：

setenv ipaddr 192.168.100.10         //开发板 ip 地址
setenv gatewayip 192.168.100.1       //开发板网关
setenv netmask 255.255.255.0         //开发板 ip 地址掩码
setenv serverip 192.168.100.2        //ubuntu ip地址

最后使用saveenv命令将其保存。

（8）Zynq boot命令参数设置

使用以下命令设置boot要执行的参数：

setenv bootargs 'console=ttyPS0,115200 root=/dev/nfs rw nfsroot=192.168.100.2:/home/XXX/RootFS_NFS,nfsvers=3 ip=192.168.100.10:192.168.100.2:192.168.100.1:255.255.255.0::eth0:off'

最后使用saveenv命令保存。

至此，设置完毕。后续调试时，只有boot分区需要提前放好在SD卡中，rootfs直接解压在Ubuntu的/home/xxx/workspace/nfs/rootfs目录后，打开Zynq开发板就能自动挂载根文件系统。

5 交叉编译

当主机平台（运行编译器的平台）和目标平台（产生的程序将在其上运行的平台）不兼容时，该过程就叫做交叉编译。

petalinux装好后的编译环境：

由none可以看出，这些编译器是没有编译linux的能力的。而Petalinux在构建linux系统过程中会编译生成linux交叉编译工具链，然后使用其构建 linux 系统，可以在Petalinux工程下使用“find . -name "arm-xilinx-linux-gnueabi-gcc"”命令找到相应的痕迹：