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谢世民 发表于 2021-1-2 19:42:30 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
         大一到大二这段时间里学习过单片机的相关知识,对单片机有一定的认识和相识。如果要深究其原理大概还差了一些火候。知道如何编写步伐来点量一个LED灯,改一改官方提供的例程来实现一些功能做一些小东西,对IIC、SPI底层的通信协议有一定的相识,但是学着学着逐渐以为单片机我也就只能改改代码了(固然有的代码也不一定能改出来)。对于我这种以后不想从事单片机开发想搬砖的码农来说已经差不多了(仅仅是个人观点)。
       在单片机开发中我们经常用到的是裸机,并没有用到使用系统(大概打仗过ucos/rtos这种实时使用系统),但是嵌入式Linux开发就必须得在Linux系统中举行使用。我们需要熟悉Linux使用系统,知道Linux的常用下令、文件系统、Linux网络、多线程/多进程,同时要会用vi编辑器、gcc编译器、shell脚本和一些简单的makefile的编写,在这些的根本之上举行Linux驱动开发的学习就会如步青云。
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       嵌入式Linux使用系统具有:开放源码、所需容量小(最小的安装约莫需要2MB)、不需著作权费用、成熟与稳定(履历这些年的发展与使用)、良好的支持等特点。因此被广泛应用于移动电话、个人数码等产物中。嵌入式Linux开发主要包罗:底层驱动、使用系统内核、应用开发三大类。需要掌握系统移植(Uboot、Linux Kernel的移植和裁剪、根文件系统的构建)、Linux驱动及内核开发(字符设备驱动、块设备驱动、网络设备驱动)应用开发由于博主本领有限所相识的也不多。

文章目次



字符设备驱动简介

       字符设备是Linux驱动中最根本的一类设备驱动,字符设备就是一个字节,按照字节举行读写使用设备,读写数据是分先后顺序的。比如我们常见的点灯、按键、IIC、SPI、LCD等都是字符设备,这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。
       在Linux中开发一般只能是用户态,也就是用户只能编写应用步伐,但是要作用于内核,那么就需要相识Linux中应用步伐是如何调用内核中的驱动步伐的,Linux 应用步伐对驱动步伐的调用如下图所示:

       在Linux 中一切皆为文件,驱动加载乐成以后会在“/dev”目次下生成一个相应的文件,应用步伐通过对这个名为“/dev/xxx” (xxx 是详细的驱动文件名字)的文件举行相应的使用即可实现对硬件的使用。比如现在有个叫做/dev/led 的驱动文件,此文件是 led 灯的驱动文件。应用步伐使用 open 函数来打开文件/dev/led,使用完成以后使用 close 函数关闭/dev/led 这个文件。 open和 close 就是打开和关闭 led 驱动的函数,如果要点亮或关闭 led,那么就使用 write 函数来使用,也就是向此驱动写入数据,这个数据就是要关闭照旧要打开 led 的控制参数。如果要获取led 灯的状态,就用 read 函数从驱动中读取相应的状态。
       应用步伐运行在用户空间,而 Linux 驱动属于内核的一部分,因此驱动运行于内核空间。当我们在用户空间想要实现对内核的使用,比如使用 open 函数打开/dev/led 这个驱动,因为用户空间不能直接对内核举行使用,因此必须使用一个叫做“系统调用”的方法来实现从用户空间陷入到内核空间,这样才华实现对底层驱动的使用。 open、 close、 write 和 read 等这些函数是有 C 库提供的,在 Linux 系统中,系统调用作为 C 库的一部分。当我们调用 open 函数的时候流程如图所示:

       应用步伐使用到的函数在详细的驱动中都有与之对应的函数,比如应用步伐中调用了 open 这个函数,那么在驱动步伐中也得有一个名为 open 的函数。每一个系统调用,在驱动中都有与之对应的一个驱动函数,在 Linux 内核文件 include/linux/fs.h 中有个叫做 file_operations 的结构体,此结构体就是 Linux 内核驱动使用函数聚集
  1. struct file_operations {        struct module *owner;//owner 拥有该结构体的模块的指针,一般设置为 THIS_MODULE        loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);//llseek 函数用于修改文件当前的读写位置        ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t*);//read 函数用于读取设备文件        ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t,loff_t *);//write 函数用于向设备文件写入(发送)数据        ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);        ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);        int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);        unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct*);//poll 是个轮询函数,用于查询设备是否可以举行非阻塞的读写        long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);//unlocked_ioctl 函数提供对于设备的控制功能,与应用步伐中的 ioctl 函数对应。        long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);//compat_ioctl 函数与 unlocked_ioctl 函数功能一样,区别在于在 64 位系统上,32 位的应用步伐调用将会使用此函数。在 32 位的系统上运行 32 位的应用步伐调用的是unlocked_ioctl。        int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);//mmap 函数用于将将设备的内存映射到进程空间中(也就是用户空间),一般帧缓冲设备会使用此函数,比如 LCD 驱动的显存,将帧缓冲(LCD 显存)映射到用户空间中以后应用步伐就可以直接使用显存了,这样就不消在用户空间和内核空间之间往返复制。        int (*mremap)(struct file *, struct vm_area_struct *);        int (*open) (struct inode *, struct file *);//open 函数用于打开设备文件。        int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);        int (*release) (struct inode *, struct file *);//release 函数用于释放(关闭)设备文件,与应用步伐中的 close 函数对应。        int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);//fasync 函数用于刷新待处置处罚的数据,用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。        int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);//aio_fsync 函数与 fasync 函数的功能类似,只是 aio_fsync 是异步刷新待处置处罚的数据        int (*fasync) (int, struct file *, int);        int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);        ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t,loff_t *, int);        unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long,        unsigned long, unsigned long, unsigned long);        int (*check_flags)(int);        int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);        ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *,        loff_t *, size_t, unsigned int);        ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct        pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);        int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);        long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,loff_t len);        void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f);        #ifndef CONFIG_MMU                unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *);        #endif};
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字符设备驱动开发步调

       在学习裸机大概 STM32 的时候关于驱动的开发就是初始化相应的外设寄存器,在 Linux 驱动开发中肯定也是要初始化相应的外设寄存器,这是毫无疑问的。只是在 Linux 驱动开发中我们需要按照其规定的框架来编写驱动,所以说学 Linux 驱动开发重点是学习其驱动框架
驱动模块的加载和卸载

       Linux 驱动有两种运行方式第一种就是将驱动编译进 Linux 内核中,这样当 Linux 内核启动的时候就会自动运行驱动步伐第二种就是将驱动编译成模块(Linux 下模块扩展名为.ko),在Linux 内核启动以后使用“insmod”下令加载驱动模块。在调试驱动的时候一般都选择将其编译为模块,这样我们修改驱动以后只需要编译一下驱动代码即可,不需要编译整个 Linux 代码。而且在调试的时候只需要加载大概卸载驱动模块即可,不需要重启整个系统。
       模块有加载和卸载两种使用,我们在编写驱动的时候需要注册这两种使用函数,模块的加载和卸载注册函数如下:
  1. module_init(xxx_init); //注册模块加载函数module_exit(xxx_exit); //注册模块卸载函数
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       module_init 函数用来向 Linux 内核注册一个模块加载函数,参数 xxx_init 就是需要注册的详细函数,当使用“insmod”下令加载驱动的时候, xxx_init 这个函数就会被调用。 module_exit()函数用来向 Linux 内核注册一个模块卸载函数,参数 xxx_exit 就是需要注册的详细函数,当使用“rmmod”下令卸载详细驱动的时候 xxx_exit 函数就会被调用。字符设备驱动模块加载和卸载模板如下所示:
  1. /* 驱动入口函数 */static int __init xxx_init(void){        /* 入口函数详细内容 */        return 0;}/* 驱动出口函数 */static void __exit xxx_exit(void){         /* 出口函数详细内容 */ }        /* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */        module_init(xxx_init);        module_exit(xxx_exit);
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  • 第 2 行,界说了个名为 xxx_init 的驱动入口函数,而且使用了“__init”来修饰。
  • 第 9 行,界说了个名为 xxx_exit 的驱动出口函数,而且使用了“__exit”来修饰。
  • 第 15 行,调用函数 module_init 来声明 xxx_init 为驱动入口函数,当加载驱动的时候 xxx_init函数就会被调用。
  • 第16行,调用函数module_exit来声明xxx_exit为驱动出口函数,当卸载驱动的时候xxx_exit函数就会被调用。
       驱动编译完成以后扩展名为.ko,有两种下令可以加载驱动模块: insmod和 modprobe,insmod是最简单的模块加载下令,此下令用于加载指定的.ko 模块,比如加载 drv.ko 这个驱动模块,下令如下:
  1.         insmod drv.ko
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       insmod 下令不能办理模块的依赖关系,比如 drv.ko 依赖 first.ko 这个模块,就必须先使用insmod 下令加载 first.ko 这个模块,然后再加载 drv.ko 这个模块。但是 modprobe 就不会存在这个问题, modprobe 会分析模块的依赖关系,然后会将所有的依赖模块都加载到内核中,因此modprobe 下令相比 insmod 要智能一些。 modprobe 下令主要智能在提供了模块的依赖性分析、错误查抄、错误陈诉等功能,推荐使用 modprobe 下令来加载驱动。 modprobe 下令默认会去/lib/modules/目次中查找模块,比如本书使用的 Linux kernel 的版本号为 4.1.15,因此 modprobe 下令默认到/lib/modules/4.1.15 这个目次中查找相应的驱动模块,一般自己制作的根文件系统中是不会有这个目次的,所以需要自己手动创建。驱动模块的卸载使用下令“rmmod”即可,比如要卸载 drv.ko,使用如下下令即可:
  1.         rmmod drv.ko
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       也可以使用“modprobe -r”下令卸载驱动,比如要卸载 drv.ko,下令如下:
  1.         modprobe -r drv.ko
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       使用 modprobe 下令可以卸载掉驱动模块所依赖的其他模块,前提是这些依赖模块已经没有被其他模块所使用,否则就不能使用 modprobe 来卸载驱动模块。所以对于模块的卸载,照旧推荐使用 rmmod 下令。
字符设备注册与注销

       对于字符设备驱动而言,当驱动模块加载乐成以后需要注册字符设备,同样,卸载驱动模块的时候也需要注销掉字符设备。字符设备的注册和注销函数原型如下所示:
  1. static inline int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,const struct file_operations *fops)static inline void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name)
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  • register_chrdev 函数用于注册字符设备,此函数一共有三个参数,这三个参数的寄义如下:
  • major: 主设备号, Linux 下每个设备都有一个设备号,设备号分为主设备号和次设备号两部分,关于设备号背面会详细解说。
  • name:设备名字,指向一串字符串。
  • fops: 结构体 file_operations 范例指针,指向设备的使用函数聚集变量。
  • unregister_chrdev 函数用户注销字符设备,此函数有两个参数,这两个参数寄义如下:
  • major: 要注销的设备对应的主设备号。
  • name: 要注销的设备对应的设备名。
一般字符设备的注册在驱动模块的入口函数 xxx_init 中举行,字符设备的注销在驱动模块的出口函数 xxx_exit 中举行。在下面代码中字符设备的注册和注销,内容如下所示:
  1. static struct file_operations test_fops;/* 驱动入口函数 */static int __init xxx_init(void){        /* 入口函数详细内容 */        int retvalue = 0;        /* 注册字符设备驱动 */        retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops);        if(retvalue < 0){                /* 字符设备注册失败,自行处置处罚 */        }        return 0;}/* 驱动出口函数 */static void __exit xxx_exit(void){        /* 注销字符设备驱动 */        unregister_chrdev(200, "chrtest");}/* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */module_init(xxx_init);module_exit(xxx_exit);
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  • 以上代码中,一开始界说了一个 file_operations 结构体变量 test_fops, test_fops 就是设备的使用函数聚集,只是此时我们还没有初始化 test_fops 中的 open、 release 等这些成员变量,所以这个使用函数聚集照旧空的。
  • 第十行,调用函数 register_chrdev 注册字符设备,主设备号为 200,设备名字为“chrtest”,设备使用函数聚集就是第 1 行界说的 test_fops。要注意的一点就是,选择没有被使用的主设备号,输入下令cat /proc/devices可以检察当前已经被使用掉的设备号。
  • 第二十一行,调用函数 unregister_chrdev 注销主设备号为 200 的这个设备。
实现设备的详细使用函数

       file_operations 结构体就是设备的详细使用函数,在示例代码 40.2.2.1 中我们界说了file_operations结构体范例的变量test_fops,但是还没对其举行初始化,也就是初始化此中的open、release、 read 和 write 等详细的设备使用函数。本节小节我们就完成变量 test_fops 的初始化,设置好针对 chrtest 设备的使用函数。在初始化 test_fops 之前我们要分析一下需求,也就是要对chrtest 这个设备举行哪些使用,只有确定了需求以后才知道我们应该实现哪些使用函数。假设对 chrtest 这个设备有如下两个要求:
1、可以或许对 chrtest 举行打开和关闭使用
       设备打开和关闭是最根本的要求,险些所有的设备都得提供打开和关闭的功能。因此我们需要实现 file_operations 中的 open 和 release 这两个函数。
2、对 chrtest 举行读写使用
       假设 chrtest 这个设备控制着一段缓冲区(内存),应用步伐需要通过 read 和 write 这两个函数对 chrtest 的缓冲区举行读写使用。所以需要实现 file_operations 中的 read 和 write 这两个函数。需求很清晰了,修改驱动示例代码在此中参加 test_fops 这个结构体变量的初始化使用,完成以后的内容如下所示:
  1. /* 打开设备 */static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp){        /* 用户实现详细功能 */        return 0;}/* 从设备读取 */static ssize_t chrtest_read(struct file *filp, char __user *buf,size_t cnt, loff_t *offt){        /* 用户实现详细功能 */        return 0;}/* 向设备写数据 */static ssize_t chrtest_write(struct file *filp,const char __user *buf,size_t cnt, loff_t *offt){        /* 用户实现详细功能 */        return 0;}/* 关闭/释放设备 */static int chrtest_release(struct inode *inode, struct file *filp){        /* 用户实现详细功能 */        return 0;}static struct file_operations test_fops = {        .owner = THIS_MODULE,        .open = chrtest_open,        .read = chrtest_read,        .write = chrtest_write,        .release = chrtest_release,};/* 驱动入口函数 */static int __init xxx_init(void){        /* 入口函数详细内容 */        int retvalue = 0;                /* 注册字符设备驱动 */        retvalue = register_chrdev(200, "chrtest", &test_fops);        if(retvalue < 0){                /* 字符设备注册失败,自行处置处罚 */        }        return 0;}/* 驱动出口函数 */static void __exit xxx_exit(void){        /* 注销字符设备驱动 */        unregister_chrdev(200, "chrtest");}/* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */module_init(xxx_init);module_exit(xxx_exit);
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  • 在上面代码中,我们一开始编写了四个函数:chrtest_open、 chrtest_read、 chrtest_write和 chrtest_release。这四个函数就是 chrtest 设备的 open、 read、 write 和 release 使用函数。第 29行~35 行初始化 test_fops 的 open、read、 write 和 release 这四个成员变量。
添加LICENSE和作者信息

       在驱动编写最后,我们需要在驱动中参加LICENSE信息和作者信息,此中LICENSE是必须添加的,否则的话编译时会报错,作者信息可以添加也可以不添加。 LICENSE 和作者信息的添加使用如下两个函数:
  1.         MODULE_LICENSE() //添加模块 LICENSE 信息        MODULE_AUTHOR() //添加模块作者信息
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       给示例代码参加 LICENSE 和作者信息,完成以后的内容如下:
  1. /* 打开设备 */static int chrtest_open(struct inode *inode, struct file *filp){        /* 用户实现详细功能 */        return 0;}....../* 将上面两个函数指定为驱动的入口和出口函数 */module_init(xxx_init);module_exit(xxx_exit);MODULE_LICENSE("GPL");//LICENSE 采取 GPL 协议。MODULE_AUTHOR("wly");//添加作者名字
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       当添加完作者和LICENSE和作者信息后,字符设备驱动的完整流程就根本上竣事了,而且也提供了一个完整的Linux驱动的模板,以后字符设备驱动开发就可以修改这个模板。
Linux设备号

       Linux的设备管理是和文件系统精密团结的,各种设备都以文件的形式存放在/dev目次下,称为设备文件。应用步伐可以打开、关闭和读写这些设备文件,完成对设备的使用,就像使用平凡的数据文件一样。为了管理这些设备,系统为设备编了号,这个号就被称为Linux设备号!
设备号的组成

       设备号由主设备号和次设备号两部分组成,主设备号体现某一个详细的驱动,次设备号体现使用这个驱动的各个设备。 Linux 提供了一个名为 dev_t 的数据范例体现设备号, dev_t 界说在文件include/linux/types.h 内里,界说如下:
  1. typedef __u32 __kernel_dev_t;......typedef __kernel_dev_t dev_t;
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       可以看出 dev_t 是__u32 范例的,而__u32 界说在文件 include/uapi/asm-generic/int-ll64.h 内里,界说如下:
  1. typedef unsigned int __u32;
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       dev_t 实在就是 unsigned int 范例,是一个 32 位的数据范例。这 32 位的数据构成了主设备号和次设备号两部分,此中高 12 位为主设备号,第 20 位为次设备号。因此 Linux系统中主设备号范围为0~4095,所以各人在选择主设备号的时候一定不要高出这个范围。在文件 include/linux/kdev_t.h 中提供了几个关于设备号的使用函数(本质是宏),如下所示:
[code]#define MINORBITS 20#define MINORMASK ((1U > MINORBITS))#define MINOR(dev) ((unsigned int) ((dev) & MINORMASK))#define MKDEV(ma,mi) (((ma)
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