在Ubuntu上为Android系统编写Linux内核驱动程序

在智能手机时代，每个品牌的手机都有自己的个性特点。正是依靠这种与众不同的个性来吸引用户，营造品牌凝聚力和用户忠城度，典型的代表非iphone莫属了。据统计，截止2011年5月，AppStore的应用软件数量达381062个，位居第一，而Android Market的应用软件数量达294738，紧随AppStore后面，并有望在8月份越过AppStore。随着Android系统逐步扩大市场占有率，终端设备的多样性亟需更多的移动开发人员的参与。据业内统计，Android研发人才缺口至少30万。目前，对Android人才需求一类是偏向硬件驱动的Android人才需求，一类是偏向软件应用的Android人才需求。总的来说，对有志于从事Android硬件驱动的开发工程师来说，现在是一个大展拳脚的机会。那么，就让我们一起来看看如何为Android系统编写内核驱动程序吧。

这里，我们不会为真实的硬件设备编写内核驱动程序。为了方便描述为Android系统编写内核驱动程序的过程，我们使用一个虚拟的硬件设备，这个设备只有一个4字节的寄存器，它可读可写。想起我们第一次学习程序语言时，都喜欢用“Hello, World”作为例子，这里，我们就把这个虚拟的设备命名为“hello”，而这个内核驱动程序也命名为hello驱动程序。其实，Android内核驱动程序和一般Linux内核驱动程序的编写方法是一样的，都是以Linux模块的形式实现的，具体可参考前面Android学习启动篇一文中提到的Linux Device Drivers一书。不过，这里我们还是从Android系统的角度来描述Android内核驱动程序的编写和编译过程。

一. 参照前面两篇文章在Ubuntu上下载、编译和安装Android最新源代码和在Ubuntu上下载、编译和安装Android最新内核源代码（Linux Kernel）准备好Android内核驱动程序开发环境。

二. 进入到kernel/common/drivers目录，新建hello目录：

USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$ cd kernel/common/drivers

USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android/kernel/common/drivers$ mkdir hello

三. 在hello目录中增加hello.h文件：

 #ifndef_HELLO_ANDROID_H_
 #define_HELLO_ANDROID_H_

 #include<linux/cdev.h>
 #include<linux/semaphore.h>

 #defineHELLO_DEVICE_NODE_NAME"hello"
 #defineHELLO_DEVICE_FILE_NAME"hello"
 #defineHELLO_DEVICE_PROC_NAME"hello"
 #defineHELLO_DEVICE_CLASS_NAME"hello"

 structhello_android_dev{
 intval;
 structsemaphoresem;
 structcdevdev;
 };

 #endif

这个头文件定义了一些字符串常量宏，在后面我们要用到。此外，还定义了一个字符设备结构体hello_android_dev，这个就是我们虚拟的硬件设备了，val成员变量就代表设备里面的寄存器，它的类型为int，sem成员变量是一个信号量，是用同步访问寄存器val的，dev成员变量是一个内嵌的字符设备，这个Linux驱动程序自定义字符设备结构体的标准方法。

四.在hello目录中增加hello.c文件，这是驱动程序的实现部分。驱动程序的功能主要是向上层提供访问设备的寄存器的值，包括读和写。这里，提供了三种访问设备寄存器的方法，一是通过proc文件系统来访问，二是通过传统的设备文件的方法来访问，三是通过devfs文件系统来访问。下面分段描述该驱动程序的实现。

首先是包含必要的头文件和定义三种访问设备的方法：

 #include<linux/init.h>
 #include<linux/module.h>
 #include<linux/types.h>
 #include<linux/fs.h>
 #include<linux/proc_fs.h>
 #include<linux/device.h>
 #include<asm/uaccess.h>

 #include"hello.h"

 /*主设备和从设备号变量*/
 staticinthello_major=0;
 staticinthello_minor=0;

 /*设备类别和设备变量*/
 staticstructclass*hello_class=NULL;
 staticstructhello_android_dev*hello_dev=NULL;

 /*传统的设备文件操作方法*/
 staticinthello_open(structinode*inode,structfile*filp);
 staticinthello_release(structinode*inode,structfile*filp);
 staticssize_thello_read(structfile*filp,char__user*buf,size_tcount,loff_t*f_pos);
 staticssize_thello_write(structfile*filp,constchar__user*buf,size_tcount,loff_t*f_pos);

 /*设备文件操作方法表*/
 staticstructfile_operationshello_fops={
 .owner=THIS_MODULE,
 .open=hello_open,
 .release=hello_release,
 .read=hello_read,
 .write=hello_write,
 };

 /*访问设置属性方法*/
 staticssize_thello_val_show(structdevice*dev,structdevice_attribute*attr,char*buf);
 staticssize_thello_val_store(structdevice*dev,structdevice_attribute*attr,constchar*buf,size_tcount);

 /*定义设备属性*/
 staticDEVICE_ATTR(val,S_IRUGO|S_IWUSR,hello_val_show,hello_val_store);

定义传统的设备文件访问方法，主要是定义hello_open、hello_release、hello_read和hello_write这四个打开、释放、读和写设备文件的方法：

 /*打开设备方法*/
 staticinthello_open(structinode*inode,structfile*filp){
 structhello_android_dev*dev;

 /*将自定义设备结构体保存在文件指针的私有数据域中，以便访问设备时拿来用*/
 dev=container_of(inode->i_cdev,structhello_android_dev,dev);
 filp->private_data=dev;

 return0;
 }

 /*设备文件释放时调用，空实现*/
 staticinthello_release(structinode*inode,structfile*filp){
 return0;
 }

 /*读取设备的寄存器val的值*/
 staticssize_thello_read(structfile*filp,char__user*buf,size_tcount,loff_t*f_pos){
 ssize_terr=0;
 structhello_android_dev*dev=filp->private_data;

 /*同步访问*/
 if(down_interruptible(&(dev->sem))){
 return-ERESTARTSYS;
 }

 if(count<sizeof(dev->val)){
 gotoout;
 }

 /*将寄存器val的值拷贝到用户提供的缓冲区*/
 if(copy_to_user(buf,&(dev->val),sizeof(dev->val))){
 err=-EFAULT;
 gotoout;
 }

 err=sizeof(dev->val);

 out:
 up(&(dev->sem));
 returnerr;
 }

 /*写设备的寄存器值val*/
 staticssize_thello_write(structfile*filp,constchar__user*buf,size_tcount,loff_t*f_pos){
 structhello_android_dev*dev=filp->private_data;
 ssize_terr=0;

 /*同步访问*/
 if(down_interruptible(&(dev->sem))){
 return-ERESTARTSYS;
 }

 if(count!=sizeof(dev->val)){
 gotoout;
 }

 /*将用户提供的缓冲区的值写到设备寄存器去*/
 if(copy_from_user(&(dev->val),buf,count)){
 err=-EFAULT;
 gotoout;
 }

 err=sizeof(dev->val);

 out:
 up(&(dev->sem));
 returnerr;
 }

定义通过devfs文件系统访问方法，这里把设备的寄存器val看成是设备的一个属性，通过读写这个属性来对设备进行访问，主要是实现hello_val_show和hello_val_store两个方法，同时定义了两个内部使用的访问val值的方法__hello_get_val和__hello_set_val：

 /*读取寄存器val的值到缓冲区buf中，内部使用*/
 staticssize_t__hello_get_val(structhello_android_dev*dev,char*buf){
 intval=0;

 /*同步访问*/
 if(down_interruptible(&(dev->sem))){
 return-ERESTARTSYS;
 }

 val=dev->val;
 up(&(dev->sem));

 returnsnprintf(buf,PAGE_SIZE,"%d\n",val);
 }

 /*把缓冲区buf的值写到设备寄存器val中去，内部使用*/
 staticssize_t__hello_set_val(structhello_android_dev*dev,constchar*buf,size_tcount){
 intval=0;

 /*将字符串转换成数字*/
 val=simple_strtol(buf,NULL,10);

 /*同步访问*/
 if(down_interruptible(&(dev->sem))){
 return-ERESTARTSYS;
 }

 dev->val=val;
 up(&(dev->sem));

 returncount;
 }

 /*读取设备属性val*/
 staticssize_thello_val_show(structdevice*dev,structdevice_attribute*attr,char*buf){
 structhello_android_dev*hdev=(structhello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev);

 return__hello_get_val(hdev,buf);
 }

 /*写设备属性val*/
 staticssize_thello_val_store(structdevice*dev,structdevice_attribute*attr,constchar*buf,size_tcount){
 structhello_android_dev*hdev=(structhello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev);

 return__hello_set_val(hdev,buf,count);
 }

定义通过proc文件系统访问方法，主要实现了hello_proc_read和hello_proc_write两个方法，同时定义了在proc文件系统创建和删除文件的方法hello_create_proc和hello_remove_proc：

 /*读取设备寄存器val的值，保存在page缓冲区中*/
 staticssize_thello_proc_read(char*page,char**start,off_toff,intcount,int*eof,void*data){
 if(off>0){
 *eof=1;
 return0;
 }

 return__hello_get_val(hello_dev,page);
 }

 /*把缓冲区的值buff保存到设备寄存器val中去*/
 staticssize_thello_proc_write(structfile*filp,constchar__user*buff,unsignedlonglen,void*data){
 interr=0;
 char*page=NULL;

 if(len>PAGE_SIZE){
 printk(KERN_ALERT"Thebuffistoolarge:%lu.\n",len);
 return-EFAULT;
 }

 page=(char*)__get_free_page(GFP_KERNEL);
 if(!page){
 printk(KERN_ALERT"Failedtoallocpage.\n");
 return-ENOMEM;
 }

 /*先把用户提供的缓冲区值拷贝到内核缓冲区中去*/
 if(copy_from_user(page,buff,len)){
 printk(KERN_ALERT"Failedtocopybufffromuser.\n");
 err=-EFAULT;
 gotoout;
 }

 err=__hello_set_val(hello_dev,page,len);

 out:
 free_page((unsignedlong)page);
 returnerr;
 }

 /*创建/proc/hello文件*/
 staticvoidhello_create_proc(void){
 structproc_dir_entry*entry;

 entry=create_proc_entry(HELLO_DEVICE_PROC_NAME,0,NULL);
 if(entry){
 entry->owner=THIS_MODULE;
 entry->read_proc=hello_proc_read;
 entry->write_proc=hello_proc_write;
 }
 }

 /*删除/proc/hello文件*/
 staticvoidhello_remove_proc(void){
 remove_proc_entry(HELLO_DEVICE_PROC_NAME,NULL);
 }

最后，定义模块加载和卸载方法，这里只要是执行设备注册和初始化操作：

 /*初始化设备*/
 staticint__hello_setup_dev(structhello_android_dev*dev){
 interr;
 dev_tdevno=MKDEV(hello_major,hello_minor);

 memset(dev,0,sizeof(structhello_android_dev));

 cdev_init(&(dev->dev),&hello_fops);
 dev->dev.owner=THIS_MODULE;
 dev->dev.ops=&hello_fops;

 /*注册字符设备*/
 err=cdev_add(&(dev->dev),devno,1);
 if(err){
 returnerr;
 }

 /*初始化信号量和寄存器val的值*/
 init_MUTEX(&(dev->sem));
 dev->val=0;

 return0;
 }

 /*模块加载方法*/
 staticint__inithello_init(void){
 interr=-1;
 dev_tdev=0;
 structdevice*temp=NULL;

 printk(KERN_ALERT"Initializinghellodevice.\n");

 /*动态分配主设备和从设备号*/
 err=alloc_chrdev_region(&dev,0,1,HELLO_DEVICE_NODE_NAME);
 if(err<0){
 printk(KERN_ALERT"Failedtoallocchardevregion.\n");
 gotofail;
 }

 hello_major=MAJOR(dev);
 hello_minor=MINOR(dev);

 /*分配helo设备结构体变量*/
 hello_dev=kmalloc(sizeof(structhello_android_dev),GFP_KERNEL);
 if(!hello_dev){
 err=-ENOMEM;
 printk(KERN_ALERT"Failedtoallochello_dev.\n");
 gotounregister;
 }

 /*初始化设备*/
 err=__hello_setup_dev(hello_dev);
 if(err){
 printk(KERN_ALERT"Failedtosetupdev:%d.\n",err);
 gotocleanup;
 }

 /*在/sys/class/目录下创建设备类别目录hello*/
 hello_class=class_create(THIS_MODULE,HELLO_DEVICE_CLASS_NAME);
 if(IS_ERR(hello_class)){
 err=PTR_ERR(hello_class);
 printk(KERN_ALERT"Failedtocreatehelloclass.\n");
 gotodestroy_cdev;
 }

 /*在/dev/目录和/sys/class/hello目录下分别创建设备文件hello*/
 temp=device_create(hello_class,NULL,dev,"%s",HELLO_DEVICE_FILE_NAME);
 if(IS_ERR(temp)){
 err=PTR_ERR(temp);
 printk(KERN_ALERT"Failedtocreatehellodevice.");
 gotodestroy_class;
 }

 /*在/sys/class/hello/hello目录下创建属性文件val*/
 err=device_create_file(temp,&dev_attr_val);
 if(err<0){
 printk(KERN_ALERT"Failedtocreateattributeval.");
 gotodestroy_device;
 }

 dev_set_drvdata(temp,hello_dev);

 /*创建/proc/hello文件*/
 hello_create_proc();

 printk(KERN_ALERT"Succeddedtoinitializehellodevice.\n");
 return0;

 destroy_device:
 device_destroy(hello_class,dev);

 destroy_class:
 class_destroy(hello_class);

 destroy_cdev:
 cdev_del(&(hello_dev->dev));

 cleanup:
 kfree(hello_dev);

 unregister:
 unregister_chrdev_region(MKDEV(hello_major,hello_minor),1);

 fail:
 returnerr;
 }

 /*模块卸载方法*/
 staticvoid__exithello_exit(void){
 dev_tdevno=MKDEV(hello_major,hello_minor);

 printk(KERN_ALERT"Destroyhellodevice.\n");

 /*删除/proc/hello文件*/
 hello_remove_proc();

 /*销毁设备类别和设备*/
 if(hello_class){
 device_destroy(hello_class,MKDEV(hello_major,hello_minor));
 class_destroy(hello_class);
 }

 /*删除字符设备和释放设备内存*/
 if(hello_dev){
 cdev_del(&(hello_dev->dev));
 kfree(hello_dev);
 }

 /*释放设备号*/
 unregister_chrdev_region(devno,1);
 }

 MODULE_LICENSE("GPL");
 MODULE_DESCRIPTION("FirstAndroidDriver");

 module_init(hello_init);
 module_exit(hello_exit);

五.在hello目录中新增Kconfig和Makefile两个文件，其中Kconfig是在编译前执行配置命令make menuconfig时用到的，而Makefile是执行编译命令make是用到的：

Kconfig文件的内容

config HELLO

tristate "First Android Driver"

default n

help

This is the first android driver.

Makefile文件的内容

obj-$(CONFIG_HELLO) += hello.o

在Kconfig文件中，tristate表示编译选项HELLO支持在编译内核时，hello模块支持以模块、内建和不编译三种编译方法，默认是不编译，因此，在编译内核前，我们还需要执行make menuconfig命令来配置编译选项，使得hello可以以模块或者内建的方法进行编译。

在Makefile文件中，根据选项HELLO的值，执行不同的编译方法。

六. 修改arch/arm/Kconfig和drivers/kconfig两个文件，在menu "Device Drivers"和endmenu之间添加一行：

source "drivers/hello/Kconfig"

这样，执行make menuconfig时，就可以配置hello模块的编译选项了。.

七.修改drivers/Makefile文件，添加一行：

obj-$(CONFIG_HELLO) += hello/

八. 配置编译选项：

USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android/kernel/common$make menuconfig

找到"Device Drivers" => "First Android Drivers"选项，设置为y。

注意，如果内核不支持动态加载模块，这里不能选择m，虽然我们在Kconfig文件中配置了HELLO选项为tristate。要支持动态加载模块选项，必须要在配置菜单中选择Enable loadable module support选项；在支持动态卸载模块选项，必须要在Enable loadable module support菜单项中，选择Module unloading选项。

九. 编译：

USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android/kernel/common$make

编译成功后，就可以在hello目录下看到hello.o文件了，这时候编译出来的zImage已经包含了hello驱动。

十. 参照 在Ubuntu上下载、编译和安装Android最新内核源代码（Linux Kernel）一文所示，运行新编译的内核文件，验证hello驱动程序是否已经正常安装：

USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$emulator -kernel ./kernel/common/arch/arm/boot/zImage &

USER-NAME@MACHINE-NAME:~/Android$ adb shell

进入到dev目录，可以看到hello设备文件：

root@android:/ # cd dev

root@android:/dev # ls

进入到proc目录，可以看到hello文件：

root@android:/ # cd proc

root@android:/proc # ls

访问hello文件的值：

root@android:/proc # cat hello

0

root@android:/proc # echo '5' > hello

root@android:/proc # cat hello

5

进入到sys/class目录，可以看到hello目录：

root@android:/ # cd sys/class

root@android:/sys/class # ls

进入到hello目录，可以看到hello目录：

root@android:/sys/class # cd hello

root@android:/sys/class/hello # ls

进入到下一层hello目录，可以看到val文件：

root@android:/sys/class/hello # cd hello

root@android:/sys/class/hello/hello # ls

访问属性文件val的值：

root@android:/sys/class/hello/hello # cat val

5

root@android:/sys/class/hello/hello # echo '0' > val

root@android:/sys/class/hello/hello # cat val

0

至此，我们的hello内核驱动程序就完成了，并且验证一切正常。这里我们采用的是系统提供的方法和驱动程序进行交互，也就是通过proc文件系统和devfs文件系统的方法，下一篇文章中，我们将通过自己编译的C语言程序来访问/dev/hello文件来和hello驱动程序交互，敬请期待。