凌阳教育linux培训之linux驱动基础开发教程.docx
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凌阳教育linux培训之linux驱动基础开发教程
以下是凌阳教育的嵌入式linux培训资深讲师-老师提供的免费的linux驱动基础开发教程(linux驱动基础开发0-linux驱动基础开发3)理论加实例详解,重点红字标注。
linux初学者必看!
一:
linux驱动基础开发0--linux设备驱动概述
目前,Linux软件工程师大致可分为两个层次:
(1)Linux应用软件工程师(ApplicationSoftwareEngineer):
主要利用C库函数和LinuxAPI进行应用软件的编写;
从事这面的开发工作,主要需要学习:
符合linuxposix标准的API函数及系统调用,linux的多任务编程技巧:
多进程、多线程、进程间通信、多任务之间的同步互斥等,嵌入式数据库的学习,UI编程:
QT、miniGUI等。
(2)Linux固件工程师(FirmwareEngineer):
主要进行Bootloader、Linux的移植及Linux设备驱动程序的设计工作。
一般而言,固件工程师的要求要高于应用软件工程师的层次,而其中的Linux设备驱动编程又是Linux程序设计中比较复杂的部分,究其原因,主要包括如下几个面:
1)设备驱动属于Linux核的部分,编写Linux设备驱动需要有一定的Linux操作系统核基础;需要了解部分linux核的工作机制与系统组成。
2)编写Linux设备驱动需要对硬件的原理有相当的了解,大多数情况下我们是针对一个特定的嵌入式硬件平台编写驱动的,例如:
针对特定的主机平台:
可能是三星的2410、2440,也可能是atmel的,或者飞思卡尔的等等。
3)Linux设备驱动中广泛涉及到多进程并发的同步、互斥等控制,容易出现bug;因为linux本身是一个多任务的工作环境,不可避免的会出现在同一时刻对同一设备发生并发操作。
4)由于属于核的一部分,Linux设备驱动的调试也相当复杂。
linux设备驱动没有一个很好的IDE环境进行单步、变量查看等调试辅助工具;linux驱动跟linux核工作在同一层次,一旦发生问题,很容易造成核的整体崩溃。
本系列文章我们将一步步、深入浅出的介绍linux设备驱动编程中设计的一些问题及学习法,希望对大家学习linux设备驱动有所帮助。
在任一个计算机系统中,大至服务器、PC机、小至手机、mp3/mp4播放器,无论是复杂的大型服务器系统还是一个简单的流水灯单片机系统,都离不开驱动程序的身影,没有硬件的软件是空中楼阁,没有软件的硬件只是一堆废铁,硬件是底层的基础,是所有软件得以运行的平台,代码最终会落实到硬件上的逻辑组合。
但是硬件与软件之间存在一个驳论:
为了快速、优质的完成软件功能设计,应用程序工程师不想也不愿关心硬件,而硬件工程师也很难有功夫去处理软件开发中的一些应用。
例如软件工程师在调用printf的时候,不也不用关心信息到底是通过什么样的处理,走过哪些通路显示在该显示的地,硬件工程师在写完了一个4*4键盘驱动后,无需也不必管应用程序在获得键值后做哪些处理及操作。
也就是说软件工程师需要看到一个没有硬件的纯软件世界,硬件必须透明的提供给他,谁来实现这一任务?
答案是驱动程序,驱动程序从字面解释就是:
“驱使硬件设备行动”。
驱动程序直接与硬件打交道,按照硬件设备的具体形式,驱动设备的寄存器,完成设备的轮询、中断处理、DMA通信,最终让通信设备可以收发数据,让显示设备能够显示文字和画面,让音频设备可以完成声音的存储和播放。
2.模块卸载函数
可见,设备驱动程序充当了硬件和软件之间的枢纽,因此驱动程序的表现形式可能就是一些标准的、事先协定好的API函数,驱动工程师只需要去完成相应函数的填充,应用工程师只需要调用相应的接口完成相应的功能。
无论有没有操作系统,驱动程序都有其存在价值,只是在裸机情况下,工作环境比较简单、完成的工作较单一,驱动程序完成的功能也就比较简单,同时接口只要在小围符合统一的标准即可。
但是在有操作系统的情况下,此问题就会被放大:
硬件来自不同的公司、千变万化,全世界每天都会有大量的新芯片被生产,大量的电路板被设计出来,如果没有一个很好的统一标准去规这一程序,操作系统就会被设计的非常冗余,效率会非常低。
所以无论任操作系统都会制定一套标准的架构去管理这些驱动程序:
linux作为嵌入式操作系统的典,其驱动架构具有很高的规性与聚合性,不但把不同的硬件设备分门别类、综合管理,并且针对不同硬件的共性进行了统一抽象,将其硬件相关性降到最低,大大简化了驱动程序的编写,形成了具有其特色的驱动组织架构。
下图反映了应用程序、linux核、驱动程序、硬件的关系。
linux核分为5大部分:
多任务管理、存管理、文件系统管理、设备管理、网络管理;
每一部分都有承上下的作用,对上提供API接口,提供给应用开发工程师使用;
对下通过驱动程序屏蔽不同的硬件构成,完成硬件的具体操作。
二:
linux驱动基础开发1——linux设备驱动基本概念
学习linux设备驱动首先我们必须明确以下几个概念,为我们接下来学习linux驱动打下坚实的基础:
应用程序、库、核、驱动程序的关系:
设备类型
设备文件、主设备号与从设备号
驱动程序与应用程序的区别
用户态与核态
Linux驱动程序功能
一、应用程序、库、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:
部分函数无需核的支持,由库函数部通过代码实现,直接完成功能
部分函数涉及到硬件操作或核的支持,由核完成对应功能,我们称其为系统调用
2)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buffercache(存缓冲区)访问,可以随机存取,即:
任块都可以读写,不必考虑它在设备的什么地。
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。
核和网络设备驱动程序间的通信,完全不同于核和字符以及块驱动程序之间的通信,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:
,在linux驱动中也就是设备文件名。
那么重名怎么办?
答案是:
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,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、用户态与核态的区分
驱动程序是核的一部分,工作在核态
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
三:
linux驱动基础开发2——linux驱动开发前奏(模块编程)
一、linux核模块简介
linux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核中呢?
一种办法是把所有的需要的功能都编译到核中。
这会导致两个问题,一是生成的核会很大,二是如果我们要在现有的核中新增或删除功能,不得不重新编译核,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核中。
二、模块特点:
1)模块本身并不被编译入核,从而控制了核的大小。
2)模块一旦被加载,他就和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
1.#include
2.#include
3.
4.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*/
5.{
6. printk(KERN_INFO " Hello World enter\n");
7. return 0;
8.}
9.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*/
10.{
11. printk(KERN_INFO " Hello World exit\n ");
12.}
13.
14.module_init(hello_init);
15.module_exit(hello_exit);
16.
17.MODULE_AUTHOR("dengwei"); /*模块作者,可选*/
18.MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL"); /*模块可证明,描述核模块的可权限,必须*/
19.
20.MODULE_DESCRIPTION("A simple Hello World Module"); /*模块说明,可选*/
21.MODULE_ALIAS("a simplest module"); /*模块说明,可选*/ SimSun;font-size: 18px;color: #FF0000;"> 22.
2)以下是编译上述模块所需的编写的makefile
1.obj-m :
=hello.o //目标文件
2.#module-objs :
= file1.o file.o //当模块有多个文件组成时,添加本句
3.KDIR :
=/usr/src/linux //核路径,根据实际情况换成自己的核路径,嵌入式的换成嵌入式,PC机的指定PC机路径
4.PWD :
= $(shell pwd) //模块源文件路径
5.all:
6. $(MAKE) -C $(KDIR) SUBDIRS=$(PWD) modules
7. rm -rf *.mod.*
8. rm -rf .*.cmd
9. rm -rf *.o
10. rm -rf Module.*
11.clean:
12. rm -rf *.ko
最终会编译得到:
hello.ko文件
使用insmodhello.ko将模块插入核,然后使用dmesg即可看到输出提示信息。
常用的几种模块操作:
insmodXXX.ko加载指定模块
lsmod列举当前系统中的所有模块
rmmodXXX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核模块的程序结构
1.模块加载函数:
Linux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:
1.static int __init myModule_init(void)
2.{
3. /* Module init code */
4. PRINTK("myModule_init\n");
5. return 0;
6.}
7.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:
1.static void __exit myModule_exit(void)
2.{
3. /* Module exit code */
4. PRINTK("myModule_exit\n");
5. return;
6.}
7.module_exit(myModule_exit);
模块卸载函数在模块卸载的时候执行,不返回任值,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
若加载函数申请了存空间,则卸载函数应当释放相应的存空间
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存,即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。
1.MODULE_AUTHOR("dengwei");
2.MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
3.MODULE_DESCRIPTION("A simple Hello World Module");
4.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:
1. static char *string_test = “this is a test”;
2.static num_test = 1000;
3.module_param (num_test,int,S_IRUGO);
4.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。
1.#include
2.#include
3.#include
4.
5.#define DEBUG //open debug message
6.
7.#ifdef DEBUG
8.#define PRINTK(fmt, arg...) printk(KERN_WARNING fmt, ##arg)
9.#else
10.#define PRINTK(fmt, arg...) printk(KERN_DEBUG fmt, ##arg)
11.#endif
12.
13.static char *string_test="default paramater";
14.static int num_test=1000;
15.
16.static int __init hello_init(void)
17.{
18. PRINTK("\nthe string_test is :
%s\n",string_test);
19. PRINTK("the num_test is :
%d\n",num_test);
20. return 0;
21.}
22.
23.static void __exit hello_exit(void)
24.{
25. PRINTK(" input paramater module exit\n ");
26.}
27.
28.module_init(hello_init);
29.module_exit(hello_exit);
30.
31.module_param(num_test,int,S_IRUGO);
32.module_param(string_test,charp,S_IRUGO);
33.
34.MODULE_AUTHOR("dengwei");
35.MODULE_LICENSE("GPL");
当执行insmodhello_param.ko时,执行dmesg查看核输出信息:
1.Hello World enter
2.the test string is:
this is a test
3.the test num is :
1000
当执行insmodhello_param.konum_test=2000string_test=“editbydengwei”,执行dmesg查看核输出信息:
1.Hello World enter
2.the test string is:
edit by dengwei
3.the test num is :
2000
2)导出模块及符号的相互引用
Linux2.6核的“/proc/kallsyms”文件对应核符号表,它记录了符号以及符号所在的存地址,模块可以使用下列宏导到核符号表中。
EXPORT_SYMBOL(符号名);任意模块均可
EXPORT_SYMBOL_GPL(符号名);只使用于包含GPL可权的模块
导出的符号可以被其它模块使用,使用前声明一下即可。
下面给出一个简单的
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