Linux设备驱动开发入门之——hello驱动
1. Linux驱动程序的分类
Linux 中主要分为三大类驱动：字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动。
1、字符设备驱动：因为软件操作设备是是以字节为单位进行的，是按照字节流进行读写操作的一种设备。典型的如LCD、蜂鸣器、SPI、触摸屏等驱动，都属于字符设备驱动的范畴。大部分的驱动程序都是属于字符设备驱动。
2、块设备驱动：块设备驱动是相对于字符设备驱动而定义的，因为块设备被软件操作时，是以块为单位进行操作的（块指的是多个字节组成一个块）。块设备大多指的都是各种存储类类设备，比如EMMC、SD卡、NANDFlash、U盘等等。
3、网络设备驱动：专门针对网络设备而设计的一种驱动，不管是有线还是无线网络，都属于网络设备驱动。
另外，一个设备可以属于多种设备驱动类型，比如 USB WIFI设备，其使用 USB 接口，所以属于字符设备，但是其又能上网，所以也属于网络设备驱动。
2. 与Linux驱动开发相关的介绍
1、Linux下的应用程序是如何调用驱动程序的
应用程序在使用C库函数所提供的 open/read/write 等等函数时，最终会进入到内核里面，调用内核所提供的 sys_open/sys_read/sys_write 等等函数。而此时如果内核发现应用程序需要访问的是驱动的话，那么就会调用该驱动程序所提供的 drv_open/drv_read/drv_write 等函数；如果发现应用程序访问的不过是普通文件的话，那么内核就会调用访问普通文件的那套函数。下图形象的给出了调用关系：
驱动程序实际上起到承上启下的作用，上承应用程序，对下则实现了具体的硬件操作。
2、Linux驱动程序的两种运行方式
- 可以把驱动程序编译进内核里面，这样内核启动后就会自动运行驱动程序了；
- 将驱动程序编译成以.ko为后缀模块文件，然后在Linux启动后，我们自己手动安装驱动程序。一般来说，这种方式在开发驱动阶段常用。
3、Linux驱动开发中常用的几个命令
- insmod（install module）：用于安装以Linux的驱动模块
- rmmod（remove module）：卸载驱动模块
- lsmod（list module）：打印出当前内核中已经安装的模块
- modinfo（module information）：打印出某个 xxx.ko 文件的模块信息。用法：modinfo xxx.ko
3. Linux驱动开发需要准备的工作
1、已经安装好的交叉编译工具链
我们开发的驱动程序是要运行在ARM架构上的，所以需要准备好ARM架构的编译工具链。一般来说我们使用开发板厂商，或者SoC原厂提供交叉编译工具链即可。具体如何安装交叉编译工具链这里不多啰嗦了。
2、准备已经配置和编译好你对应板子的内核源码
驱动程序是运行在内核空间的，不同于应用程序运行在用户空间。驱动程序已经是属于内核的一部分了，而编译驱动程序需要借助于内核源码来编译。
另外，内核源码的版本一定要和你板子上实际运行的版本相一致，否则编译出来的驱动程序会因为版本不同而无法在你的板子上运行。
3、你的开发板接线正常，网络正常（要保证开发板和ubuntu之间可以相互ping通，因为我们通过nfs方式把ubuntu编译好的 xxx.ko 等文件传输到开发板）。
4. show出你的代码
4.1 hello驱动的编写
我们在编写应用程序的时候，首先也是先学会如何再电脑屏幕上输出 “helllo world”。同样的，我们编写的第一个驱动程序，也是先学会hello驱动，该驱动不涉及任何的硬件操作，而且也是属于字符设备驱动的范畴。主要实现的功能是：
1、应用程序调用 open、read、write 等函数时，对应的驱动函数都打印出内核信息；
2、应用程序调用 write 函数时，传入的数据保存在驱动中；
3、应用程序调用 read 函数时，把驱动中保存的数据再返回给应用程序，并打印出来
驱动程序的编写其实也是有迹可循的，主要的编写步骤如下：
- 确定主设备号，也可以让内核自动分配
- 定义自己的 file_operations 结构体
- 实现对应的 drv_open/drv_read/drv_write 等函数，填入 file_operations 结构体
- 把 file_operations 结构体告诉内核：register_chrdev
- 谁来注册驱动程序啊？得有一个入口函数：安装驱动程序时，就会去调用这个入口函数
- 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，出口函数调用 unregister_chrdev
- 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点：class_create, device_create
其中，驱动程序核心中的核心就是 file_operations 这个结构体了。在这个结构体里面，就是要实现这个驱动程序自己的 open、read、write等函数，并通过Linux内核提供的接口注册到内核里面去。而其他的一些步骤都是为了遵循LInux驱动程序的编写规范，用于完善这个驱动程序的。
驱动代码的编写也不用完全都自己写，我们可以参考Linux内核提供的一些已有的驱动程序，下面我们就参考内核的一份 misc 驱动，编写我们自己的hello驱动程序，hello驱动代码如下：
#include hello驱动程序的几点说明：
-
驱动程序要打印信息的时候，调用的函数是 printk ，而应用程序调用的是 printf
-
应用程序和驱动程序之间传递数据，不能使用简单的赋值或者memcpy等，要使用内核提供的 copy_from_user/copy_to_user 函数。当然如果需要传递大量数据的时候，还可以使用内存映射的方式
-
阅读一个驱动程序，首先要找到驱动程序的入口函数。上面的驱动入口函数就是hello_init函数，该函数做的事情就是向内核注册了一个 file_oprations 结构体，并且完成自动创建设备节点相关的代码
-
file_oprations 结构体是驱动程序的核心，里面提供了本驱动 open/read/write/release 等成员，当应用程序调用了open/read/write/release 等函数时，就会导致对应驱动的这些成员函数被调用
4.2 编写hello应用程序测试
下面我们编写一个hello应用程序来测试我们编写好的驱动程序。该应用程序要实现的功能是：
- 向驱动程序写入一串字符串
- 把驱动程序保存起来的字符串读出来
hello_drv_test 应用程序代码如下：
#include \n" , argv[0]);
printf(" %s -r\n", argv[0]);
return -1;
}
/* 2. 打开文件 */
fd = open("/dev/hello", O_RDWR);
if (fd == -1)
{
printf("can not open file /dev/hello\n");
return -1;
}
/* 3. 写文件或读文件 */
if ((0 == strcmp(argv[1], "-w")) && (argc == 3))
{
len = strlen(argv[2]) + 1;
len = len < 1024 ? len : 1024;
write(fd, argv[2], len);
}
else
{
len = read(fd, buf, 1024);
buf[1023] = '\0';
printf("APP read : %s\n", buf);
}
close(fd);
return 0;
}
4.3 驱动程序的Makefile文件
一个驱动程序最简单的Makefile包含以下内容：
# 1. 使用不同的开发板内核时, 一定要修改KERN_DIR
# 2. KERN_DIR中的内核要事先配置、编译, 为了能编译内核, 要先设置下列环境变量:
# 2.1 ARCH, 比如: export ARCH=arm64
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# 2.3 PATH, 比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_roc-rk3399-pc/ToolChain-6.3.1/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin
# 注意: 不同的开发板不同的编译器上述3个环境变量不一定相同，根据具体情况指定
# KERN_DIR 是指定内核源码的路径的，需要根据不同开发环境指定
KERN_DIR = /home/book/100ask_roc-rk3399-pc/linux-4.4
all:
make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
# 本条指令是用于编译应用程序的，放在这里是为了不用在单独编译应用程序而已
$(CROSS_COMPILE)gcc -o hello_drv_test hello_drv_test.c
clean:
make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
rm -rf modules.order
rm -f hello_drv_test
obj-m += hello_drv.o # obj-m 指定具体要编译的驱动程序
5. 在开发板上测试运行hello驱动
编写完上述的代码之后，就可以进行编译了。
直接在hello驱动所在的目录下，输入 make 即可编译了。编译完之后就会看到生成对应的 .ko 文件了。
然后我们把编译好的 .ko 文件，和测试驱动的应用程序都拷到 nfs 共享目录下，我的 nfs 共享目录是在 /home/lbh/nfs 下。
然后我们打开开发板后，进入到开发板的控制台。挂载 ubuntu 中的 nfs 共享目录到开发板的 /mnt 目录下，在开发板输入如下命令：
mount -t nfs -o nolock,nfsvers=3 192.168.1.33:/home/lbh/nfs /mnt
其中 192.168.1.33 这个IP地址是你的ubuntu的IP地址。
挂载完成之后，就可以去 /mnt 目录下看到了自己编译好的 .ko 文件和对应的应用程序文件了。
我们执行 insmod hello_drv.ko 命令，就可以把该驱动程序安装到内核中了。而且可以看到内核打印出了相应的信息，如下：
[ 293.594910] hello_drv: loading out-of-tree module taints kernel.
[ 293.616051] /home/lbh/linux/drv/hello_drv.c hello_init line 70
说明驱动加载成功了。
注意：如果板子没有看到打印信息的话，那么就输入如下命令把内核的打印信息打开：
echo "7 4 1 7" > /proc/sys/kernel/printk
当然有些板子内核打印信息是默认已经打开了的。或者我们输入 demsg 命令也可以看到内核的打印信息。
然后我们运行 hello_drv_test 应用程序来测试内核，都可以看到内核的打印信息，和我们读取到应用程序写给内核的字符串。
6. 和驱动调试有关的其他知识
cat /proc/devices命令可以查看当前系统是否有我们刚刚安装的驱动程序- 安装了设备驱动之后，就会在我们的Linux系统 /dev目录下生成对应的设备文件了。linux中没一个驱动程序都有一个与之对应的设备文件，可以使用 ls /dev/hello -l 命令查看该驱动文件