Linux内核

Linux内核代码结构

• init
• kernel(内核管理核心代码)
• mm(memory management内核管理代码,处理器体系结构相关的代码仿真arch/*/mm)
• ipc(IPC进程间通信)
• lib(内核的库代码,体系结构相关的代码放在arch/*/lib)
• fs(file system文件系统)
• net(网络协议代码)
• drivers(系统中驱动程序代码)
  • char(字符设备)
  • usb(USB设备)
  • block(块设备)
  • pci(PCI总线)
  • i2c
  • spi
• include(Linux头文件)
  • asm-(体系结构相关头文件)
  • linux(Linux kernel core 头文件)
• scripts(编译配置脚本文件)
• sound(声卡驱动程序)
• Makefile(顶层Makefile文件)

以上平台无关-------------------------以下平台相关

• arch(CPU架构相关代码,每个目录一个体系结构)
  • i386
  • arm
    • kernel
    • mm
    • lib(体系结构相关的库代码)
  • x86
  • ppc
  • m68k
  • sh

模块化编程

module_init和module_exit宏将函数放在内核的某一段

module_init(initFunc);//模块的入口：完成模块的加载
module_exit(exitFunc);//模块的出口：完成模块的卸载

编译加载查看命令

• make 编译 生成 .ko模块文件
• lsmod 显示模块
• insmod/rmmod 安装/卸载模块
• dmesg 打印log信息

linux内核源码默认装在/lib/modules/$(shell uname -r)/build目录下

把一个模块独立于内核在外面编译再动态加载进去

make ... modules

符号导出

符号：全局变量和函数

Linux内核采用的是以模块化形式管理内核代码。内核中的每个模块相互之间是相互独立的，也就是说A模块的全局变量和函数，B模块是无法直接访问的。如果想要访问别的模块的变量或函数，就需要用到全局符号表。

Linux内核会把符号放在一个表里面，在编译的时候回去表里面找对应的全局变量和函数的符号。

Ubuntu中

• Linux内核的全局符号表在/usr/src/linux-headers-XXXXX-generic/Module.symvers“
  XXXXX是内核版本

相当于可以在多个文件中共享的变量或函数，在一个文件中定义，可以在其他文件中使用

在程序中使用下面这个宏导出变量或函数符号，即便是static限定(作用域为当前程序文件)的变量也可以被导出

EXPORT_SYMBOL(变量或函数);

加载模块时给模块传参数

在程序中声明传递的参数

#include 

• 原型:

  module_param(name,type,perm);//声明传类型为type的参数name
  module_param_arry(name,type,num_point,perm);//传一个元素个数为num_point的数组，数组元素类型为type
  module_param_string (name,string,len,perm);//传长度为len的字符串
  

• 参数:

  • name 用来接收参数的变量名
  • type 参数的数据类型
    • bool 布尔值(true/false)
    • invbool bool的反值,例如赋值为true,实际值为false
    • charp 字符指针类型，内核为用户提供的字符串分配内存,并设置此指针保存其首地址
    • int 整型
    • long 长整型
    • short 短整型
    • uint 无符号整型
    • ulong 无符号长整型
    • ushort 无符号短整型
  • perm 指定参数访问权限

在加载模块时跟传入的参数

加入在程序中声明传递的参数为 var

module_param(var,int,0664);

在命令行加载模块时传参

insmod hello.ko var=1

Sysfs

Sysfs:内核给一些重要的资源创建的目录或者文件，每个模块会在/sys/module下创建个同名的文件夹

文件夹里的parameters目录下就放着我们传入的参数

设备分类

• 字符设备
  以字节为单位来操作数据。
  比如:键盘、鼠标、显示器都等是字符设备。
  字符设备的驱动程序，就称为"字符设备驱动程序”。
• 块设备
  块设备存储的数据量往往非常答，为了提高读写效率，都是以块（1024字节）为单位来操作数据。
  比如:电脑硬盘、移动硬盘、u盘等，凡是涉及大量数据存储的，都是以块为单位来操作数据的，都是块设备。块设备的驱动程序，就成为"块设备驱动程序”。
• 网络设备

设备号

用来区分设备的整型数编号

• 无符号整型值
  • 高12位∶主设备号
  • 低20位：次设备号
• 查看设备号
  • cat /proc/devices

/proc目录：processing进程信息

注册/注销设备号

int register_chrdev_region(dev_t from,unsigned count,const char *name);

• 功能：注册一系列设备号(主设备号只有一个，但是可以有一系列次设备号)

• 参数：

  • from：设备号的起始值
  • count：申请多少个设备号
  • name：设备号的名字

  申请从from到from+count-1的设备号

int unregister_chrdev_region(dev_t from,unsigned count);

• 功能：注销设备号

• 参数：同上

  注销从from到from+count-1的设备号

例子：

#include 
#include 
#include 
#include 
static int major=250;
static int minor=0;
static dev_t devno;
static int hello_init(void)
{
	devno=MKDEV(major,minor);//宏定义：用主设备号和次设备号生成设备号，实际就是(major<<20)|minor
    int result=register_chrdev_region(devno,1,"test");//注册设备号
    ...
}
static void hello_exit(void)
{
    unregister_chrdev_region(devno,1);//注销设备号
    ...
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

字符设备

对于每一个字符设备，内核使用一个结构体cdev来维护。

块设备叫gn_disk

网络设备叫net_device

gpio操作

头文件：

#include
#include 
#include 
# include 

函数原型

int gpio_request(unsigned gpio, const char *label);

• 函数功能：CPU的任何一个GPIO引脚硬件资源对于Linux内核来说都是一种宝贵的资源，如果某个内核程序要想访问这个GPIO引脚资源，首先必须想Linux内核申请资源（类似malloc）
• 参数说明：
  • gpio:GPIO引脚硬件在linux内核中的软件编号,也就是对于任何一个GPIO引脚,linux内核都给分配一个唯一的软件编号(类似GPIO引脚的身份证号)
• label：给申请的硬件GPIO引脚指定的名称,随便取。
  返回值：看内核大神的代码如何判断即可,照猫画虎

void gpio_free(unsigned gpio);

• 函数功能：内核程序如果不再使用访问GPIO硬件资源记得要将硬件资源归还给linux内核,类似free。
• 参数：
  gpio：要释放的GPIO硬件资源对应的软件编号

int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value);

• 函数功能：配置GPIO引脚为输出功能,并且输出一个value值(1高电平/0低电平)
• 参数：
  • gpio：GPIO硬件对应的软件编号
  • value：输出的值

int gpio_direction_input(unsigned gpio);

• 函数功能：配置GPIO为输入功能

int gpio_set_value(unsigned gpio, int value);

• 函数功能：设置GPIO引脚的输出值为value(1:高/0:低)，前提是必须首先将GPIO配置为输出功能

int gpio_get_value(unsigned gpio);

• 函数功能：获取GPIO引脚的电平状态,返回值就是引脚的电平状态(返回1：高电平;返回0：低电平)，此引脚到底是输入还是输出没关系！

ioctl

ioctl 是设备驱动程序中设备控制接口函数，一个字符设备驱动通常会实现设备打开、关闭、读、写等功能，在一些需要细分的情境下，如果需要扩展新的功能，通常以增设 ioctl() 命令的方式实现。

应用层系统调用

#include 
int ioctl(int fd,unsigned long cmd,...);

参数：

• fd：打开设备文件的时候获得的文件描述符
• cmd：第二个参数:给驱动层传递的命令，需要注意的时候,驱动层的命令和应用层的命令一定要统一
• 第三个参数：...在c语言中，很多时候都被理解成可变参数。

返回值：

• 成功:0
• 失败:-1，同时设置errno

驱动层调用

long (*unlocked_ioctl)(struct file* file,unsigned int cmd,unsigned long arg);

参数:

• file:：vfs层为打开字符设备文件的进程创建的结构体，用于存放文件的动态信息
• cmd：用户空间传递的命令，可以根据不同的命令做不同的事情
• 第三个参数：用户空间的数据，这个数据可能是一个地址值(用户空间传递的是一个地址)，也可能是一个数值，也可能没值

返回值：

• 成功:0
• 失败:带错误码的负值

cmd参数

• 设备类型：类型或叫幻数，代表一类设备，一般用一个字母或者1个8bit的数字
• 序列号：代表这个设备的第几个命令
• 方向：表示是由内核空间到用户空间，或是用户空间到内核空间，只读，只写，读写，其他
• 数据尺寸：表示需要读写的参数大小