linux驱动开发

最新推荐文章于 2025-03-04 22:12:25 发布

rainlua

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分类专栏： linux相关

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1.驱动定义：

驱动硬件是操作系统最基本的功能，操作系统通过各种驱动程序驾驭硬件设备

树莓派输入指令可以清晰的看到：加载了uart,bluetooth等驱动

一、应用程序、库、内核、驱动程序的关系

1)应用程序调用一系列函数库，通过对文件的操作完成一系列功能：

应用程序以文件形式访问各种硬件设备（linux特有的抽象方式，把所有的硬件访问抽象为对文件的读写、设置）

函数库：

部分函数无需内核的支持，由库函数内部通过代码实现，直接完成功能

部分函数涉及到硬件操作或内核的支持，由内核完成对应功能，我们称其为系统调用

2)内核处理系统调用，根据设备文件类型、主设备号、从设备号（后面会讲解），调用设备驱动程序；

3)设备驱动直接与硬件通信；

二、设备类型

硬件是千变万化的，没有八千也有一万了，就像世界上有三种人：男人、女人、女博士一样，linux做了一个很伟大也很艰难的分类：把所有的硬件设备分为三大类：字符设备、块设备、网络设备。

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，就像男人是用来干活的一样，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，就像女人一样是用来存储信息的。

3)网络接口：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数（socket函数）而不是read、write等。

比如我们常见的网卡设备、蓝牙设备，就像女博士一样，数量稀少但又不可或缺。

linux中所有的驱动程序最终都能归到这三种设备中，当然他们之间也没有非常严格的界限，这些都是程序中对他们的划分而已，比如一个sd卡，我们也可以把它封装成字符设备去操作也是没有问题的。就像。。。

三、设备文件、主设备号、从设备号

有了设备类型的划分，那么应用程序应该怎样访问具体的硬件设备呢？

或者说已经确定他是一个男人了，那么怎么从万千世界中区分他与他的不同呢？

答案是：姓名，在linux驱动中也就是设备文件名。

那么重名怎么办？

答案是：身份证号，在linux驱动中也就是设备号（主、从）。

设备文件：

在linux

系统

中有一个约定俗成的说法:“一切皆文件”，

应用程序使用设备文件节点访问对应设备，

Linux下的各种硬件设备以文件的形式存放于/dev目录下，可以使用ls /dev 查看

Linux把对硬件的操作全部抽象成对文件的操作

（open,read,write,close,…）

每个设备文件都有其文件属性（c或者b），使用ls /dev -l 的命令查看，

表明其是字符设备或者块设备，网络设备没有在这个文件夹下，用来明其性别（男人、女人）

主设备号、从设备号

在设备管理中，除了设备类型外，内核还需要一对被称为主从设备号的参数，才能唯一标识一个设备，类似人的身份证号

主设备号：

用于标识驱动程序，相同的主设备号使用相同的驱动程序，例如：S3C2440 有串口、LCD、触摸屏三种设备，他们的主设备号各不相同；

从设备号：

用于标识同一驱动程序的不同硬件

例：PC的IDE设备，主设备号用于标识该硬盘，从设备号用于标识每个分区，2440有三个串口，每个串口的主设备号相同，从设备号用于区分具体属于那一个串口。

四、驱动程序与应用程序的区别

应用程序以main开始

驱动程序没有main，它以一个模块初始化函数作为入口

应用程序从头到尾执行一个任务

驱动程序完成初始化之后不再运行，等待系统调用

应用程序可以使用glibc等标准C函数库

驱动程序不能使用标准C库

五、用户态与内核态的区分

驱动程序是内核的一部分，工作在内核态

应用程序工作在用户态

数据空间访问问题

无法通过指针直接将二者的数据地址进行传递

系统提供一系列函数帮助完成数据空间转换
get_user
put_user
copy_from_user
copy_to_user

六、Linux驱动程序功能

对设备初始化和释放资源

把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据

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

检测和处理设备出现的错误(底层协议)

用于区分具体设备的实例

一、linux内核模块简介

linux内核整体结构非常庞大，其包含的组件也非常多。我们怎么把需要的部分都包含在内核中呢？

一种办法是把所有的需要的功能都编译到内核中。这会导致两个问题，一是生成的内核会很大，二是如果我们要在现有的内核中新增或删除功能，不得不重新编译内核，工作效率会非常的低，同时如果编译的模块不是很完善，很有可能会造成内核崩溃。

linux提供了另一种机制来解决这个问题，这种集中被称为模块，可以实现编译出的内核本身并不含有所有功能，而在这些功能需要被使用的时候，其对应的代码可以被动态的加载到内核中。

二、模块特点：

1）模块本身并不被编译入内核，从而控制了内核的大小。

2）模块一旦被加载，他就和内核中的其他部分完全一样。

注意：模块并不是驱动的必要形式：即：驱动不一定必须是模块，有些驱动是直接编译进内核的；同时模块也不全是驱动，例如我们写的一些很小的算法可以作为模块编译进内核，但它并不是驱动。就像烧饼不一定是圆的，圆的也不都是烧饼一样。

三、最简单的模块分析

1）以下是一个最简单的模块例子

    #include <linux/init.h>         /* printk() */   
    #include <linux/module.h>       /* __init __exit */   
      
    static int  __init  hello_init(void)      /*模块加载函数，通过insmod命令加载模块时，被自动执行*/  
    {  
      printk(KERN_INFO " Hello World enter\n");  
      return 0;  
    }  
    static void  __exit  hello_exit(void)    /*模块卸载函数，当通过rmmod命令卸载时，会被自动执行*/  
    {  
      printk(KERN_INFO " Hello World exit\n ");  
    }  
      
    module_init(hello_init);  
    module_exit(hello_exit);  
      
    MODULE_AUTHOR("dengwei");           /*模块作者，可选*/  
    MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");     /*模块许可证明，描述内核模块的许可权限，必须*/  
      
    MODULE_DESCRIPTION("A simple Hello World Module"); /*模块说明，可选*/  
    MODULE_ALIAS("a simplest module");                  /*模块说明，可选*/<span style="font-family:SimSun;font-size:18px;color:#FF0000;"><strong>  
    </strong></span>

最终会编译得到：hello.ko文件

使用insmodhello.ko将模块插入内核，然后使用dmesg即可看到输出提示信息。

常用的几种模块操作：

insmod XXX.ko 加载指定模块

lsmod 列举当前系统中的所有模块

rmmod XXX 卸载指定模块（注意没有.ko后缀）

dmesg 当打印等级低于默认输出等级时，采用此命令查看系统日志

3）linux内核模块的程序结构

1.模块加载函数：

Linux内核模块一般以__init标示声明，典型的模块加载函数的形式如下:

static int __init myModule_init(void)
{
/* Module init code */
PRINTK("myModule_init\n");
return 0;
}
module_init(myModule_init);

模块加载函数的名字可以随便取，但必须以“module_init(函数名)”的形式被指定；

执行insmod命令时被执行，用于初始化模块所必需资源，比如内存空间、硬件设备等；

它返回整形值，若初始化成功，应返回0，初始化失败返回负数。

2.模块卸载函数

典型的模块卸载函数形式如下：

static void __exit myModule_exit(void)
{
/* Module exit code */
PRINTK("myModule_exit\n");
return;
}
module_exit(myModule_exit);

模块卸载函数在模块卸载的时候执行，不返回任何值，需用”module_exit(函数名)”的形式被指定。

卸载模块完成与加载函数相反的功能：

若加载函数注册了XXX，则卸载函数应当注销XXX

若加载函数申请了内存空间，则卸载函数应当释放相应的内存空间

若加载函数申请了某些硬件资源（中断、DMA、I/0端口、I/O内存等），则卸载函数应当释放相应的硬件资源

若加载函数开启了硬件，则卸载函数应当关闭硬件。

其中__init 、__exit 为系统提供的两种宏，表示其所修饰的函数在调用完成后会自动回收内存，即内核认为这种函数只会被执行1次，然后他所占用的资源就会被释放。

3.模块声明与描述

在linux内核模块中，我们可以用MODULE_AUTHOR、MODULE_DESCRIPTION、MODULE_VERSION、MODULE_TABLE、MODULE_ALIA，分别描述模块的作者、描述、版本、设备表号、别名等。

MODULE_AUTHOR("dengwei");
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
MODULE_DESCRIPTION("A simple Hello World Module");
MODULE_ALIAS("a simplest module");

四、有关模块的其它特性

1）模块参数：

我们可以利用module_param(参数名、参数类型、参数读写属性) 为模块定义一个参数，例如：

static char *string_test = “this is a test”;
static num_test = 1000;
module_param (num_test,int,S_IRUGO);
module_param (steing_test,charp,S_ITUGO);

在装载模块时，用户可以给模块传递参数，形式为：”insmod 模块名参数名=参数值”，如果不传递，则参数使用默认的参数值

参数的类型可以是：byte,short,ushort,int,uint,long,ulong,charp,bool；

权限：定义在linux/stat.h中，控制存取权限，S_IRUGO表示所有用户只读；

模块被加载后，在sys/module/下会出现以此模块命名的目录，当读写权限为零时：表示此参数不存在sysfs文件系统下的文件节点，当读写权限不为零时：此模块的目录下会存在parameters目录，包含一系列以参数名命名的文件节点，这些文件节点的权限值就是传入module_param()的“参数读/写权限“，而该文件的内容为参数的值。

除此之外，模块也可以拥有参数数组，形式为：”module_param_array(数组名、数组类型、数组长、参数读写权限等)”，当不需要保存实际的输入的数组元素的个数时，可以设置“数组长“为0。

运行insmod时，使用逗号分隔输入的数组元素。

下面是一个实际的例子，来说明模块传参的过程。