荔枝派Zero(全志V3S)驱动开发之hello驱动程序
文章目录
- 前言
- 一、设备驱动分类
- 二、字符设备驱动简介
- 三、字符设备驱动开发
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- 1、APP打开的文件在内核中如何表示
- 2、编写驱动程序的步骤
- 3、hello 驱动程序编写
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- <1>、试验程序编写
- <2>、测试程序编写
- <3>、编写 Makefile
- <4>、编译
- 3、运行测试
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- <1>、上传程序到开发板执行
- <2>、加载驱动模块
- <3>、创建设备节点文件
- <4>、hello_drv 设备操作测试
- <5>、卸载驱动模块
- 总结
前言
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搞嵌入式有两个方向，一个是嵌入式软件开发 (MCU 方向)，另一个是嵌入式软件开发 (Linux 方向)。其中 MCU 方向基本是裸机开发和 RTOS 开发。而 Linux 开发方向又分为驱动开发和应用开发。其中应用开发相比于驱动开发来说简单一些，因为搞驱动请你要和 Linux 内核打交道。而我们普通的单片机开发就是应用开发，和 Linux 开发没多大区别，单片机你去调别人写好的库，Linux 应用你也是调别人的驱动程序。
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很多人学习的路线是：单片机到 RTOS，再到 Linux，这个路线其实是非常好，循序渐进。因为你学了单片机，所以你对 RTOS 的学习会很容易理解，单片机 + RTOS 在市面上也可以找到一个很好的工作。因为你学了 RTOS，你会发现 Linux 驱动开发其实和 RT-Thread 的驱动程序非常像，其实 RT-Thread 驱动大概率可能是仿 Linux 驱动而写的。所以如果你现在在学 RT-Thread，那么你后面去搞 Linux 驱动也是非常容易上手。
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当然做驱动去之前你还是要学习一下 ubuntu 操作系统、ARM 裸机和 linux 系统移植，其目的就是为学习嵌入式 linux 驱动开发做准备。
本文通过在荔枝派上实现一个 hello 驱动程序，其目的是深入的了解加载驱动程序的运作过程。
一、设备驱动分类
在Linux中，驱动分为三大类：
- 字符设备驱动
- 字符设备驱动是占用篇幅最大的一类驱动，因为字符设备最多，从最简单的点灯到 I2C、SPI、音频等都属于字符设备驱动的类型。
- 块设备驱动
- 块设备和网络设备驱动要比字符设备驱动复杂，就是因为其复杂所以半导体厂商一般都给我们编写好了，大多数情况下都是直接可以使用的。
- 所谓的块设备驱动就是存储器设备的驱动，比如 EMMC、NAND、SD 卡和 U 盘等存储设备，因为这些存储设备的特点是以存储块为基础，因此叫做块设备。
- 网络设备驱动
- 网络设备驱动很好理解，不管是有线的还是无线的，都属于网络设备驱动的范畴。一个设备可以属于多种设备驱动类型，比如 USB WIFI，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。
我使用的Linux内核版本为 5.2.0，其支持设备树Device tree。
二、字符设备驱动简介
字符设备是Linux驱动中最基本的一类设备驱动，字符设备就是一个一个字节，按照字节流进行读写操作的设备，读写数据是分先后顺序的。比如我们最常见的点灯、按键、IIC、SPI，LCD 等等都是字符设备，这些设备的驱动就叫做字符设备驱动。
那么在Linux下的应用程序是如何调用驱动程序的呢？Linux 应用程序对驱动程序的调用如图所示：
写驱动的人必须要懂linux内核，因为驱动程序就是根据内核的函数去写的，写应用的人不需要懂linux内核，只需要熟悉驱动函数就可以了。
比如现在有个叫做 /dev/led 的驱动文件，是 led 灯的驱动文件。应用程序使用 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 函数来操作，也就是向此驱动写入数据，这个数据就是要关闭还是要打开 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。
应用程序运行在用户空间，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操作，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进行操作，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，这样才能实现对底层驱动的操作。
open、close、write 和 read等这些函数是由 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：
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 内核驱动操作函数集合，内容如下所示：
struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);
int (*iopoll)(struct kiocb *kiocb, bool spin);
int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);
int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);
__poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
unsigned long mmap_supported_flags;
int (*open) (struct inode *, struct file *);
int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
int (*release) (struct inode *, struct file *);
int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
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
ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,
loff_t, size_t, unsigned int);
loff_t (*remap_file_range)(struct file *file_in, loff_t pos_in,
struct file *file_out, loff_t pos_out,
loff_t len, unsigned int remap_flags);
int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int);
} __randomize_layout;
- 第 1790 行，owner 拥有该结构体的模块的指针，一般设置为THIS_MODULE。
- 第 1791 行，llseek 函数用于修改文件当前的读写位置。
- 第 1792 行，read 函数用于读取设备文件。
- 第 1793 行，write 函数用于向设备文件写入(发送)数据。
- 第 1799 行，poll 是个轮询函数，用于查询设备是否可以进行非阻塞的读写。
- 第 1800 行，unlocked_ioctl 函数提供对于设备的控制功能，与应用程序中的 ioctl 函数对应。
- 第 1801 行，compat_ioctl 函数与 unlocked_ioctl 函数功能一样，区别在于在 64 位系统上，32 位的应用程序调用将会使用此函数。在 32 位的系统上运行 32 位的应用程序调用的是 unlocked_ioctl。
- 第 1802 行，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程序就可以直接操作显存了，这样就不用在用户空间和内核空间之间来回复制。
- 第 1804 行，open 函数用于打开设备文件。
- 第 1806 行，release 函数用于释放(关闭)设备文件，与应用程序中的 close 函数对应。
- 第 1807 行，fasync 函数用于刷新待处理的数据，用于将缓冲区中的数据刷新到磁盘中。
三、字符设备驱动开发
学习裸机或者 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，这个是毫无疑问的。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。
1、APP打开的文件在内核中如何表示
APP 使用 open 函数打开文件时，可以得到一个整数，这个整数被称为文件句柄。对于APP 的每一个文件句柄，在内核里面都有一个 struct file 与之对应。
struct file {
union {
struct llist_node fu_llist;
struct rcu_head fu_rcuhead;
} f_u;
struct path f_path;
struct inode *f_inode; /* cached value */
const struct file_operations *f_op;
/*
* Protects f_ep_links, f_flags.
* Must not be taken from IRQ context.
*/
spinlock_t f_lock;
enum rw_hint f_write_hint;
atomic_long_t f_count;
unsigned int f_flags;
fmode_t f_mode;
struct mutex f_pos_lock;
loff_t f_pos;
struct fown_struct f_owner;
const struct cred *f_cred;
struct file_ra_state f_ra;
u64 f_version;
#ifdef CONFIG_SECURITY
void *f_security;
#endif
/* needed for tty driver, and maybe others */
void *private_data;
#ifdef CONFIG_EPOLL
/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */
struct list_head f_ep_links;
struct list_head f_tfile_llink;
#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */
struct address_space *f_mapping;
errseq_t f_wb_err;
} __randomize_layout
__attribute__((aligned(4))); /* lest something weird decides that 2 is OK */
我们使用open打开文件时，传入的 flags、mode 等参数会被记录在内核中对应的 struct file 结构体里(f_flags、f_mode)：
int open(const char *pathname, int flags, mode_t mode);
去读写文件时，文件的当前偏移地址也会保存在 struct file 结构体的 f_pos 成员里。
打开字符设备节点时，内核中也有对应的 struct file，注意这个结构体中的结构体：struct file_operations *f_op，这是由驱动程序提供的。
2、编写驱动程序的步骤
- 确定主设备号，也可以让内核分配。
- 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。
3、hello 驱动程序编写
<1>、试验程序编写
应用程序调用 open 函数打开 hello_drv 这个设备，打开以后可以使用 write 函数向hello_drv 的写缓冲区 writebuf 中写入数据(不超过 100 个字节)，也可以使用 read 函数读取读缓冲区 readbuf 中的数据操作，操作完成以后应用程序使用 close 函数关闭 chrdevbase 设备。
hello_drv.c
#include <2>、测试程序编写
驱动编写好以后是需要测试的，一般编写一个简单的测试 APP，测试 APP 运行在用户空间。测试 APP 很简单，通过输入相应的指令来对 hello_drv 设备执行读或者写操作。
hello_drv_test.c
#include \n" , argv[0]);
printf(" %s -r\n", argv[0]);
return -1;
}
/* 2. 打开文件 */
fd = open("/dev/hello_drv", O_RDWR);
if (fd == -1)
{
printf("can not open file /dev/hello_drv\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;
}
<3>、编写 Makefile
KERNELDIR := /home/Gnep/licheepi_zero/linux
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := hello_drv.o
build: kernel_modules
kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
$(CROSS_COMPILE)arm-linux-gnueabihf-gcc -o hello_drv_test hello_drv_test.c
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
- 第 1 行，KERNELDIR 表示开发板所使用的 Linux 内核源码目录，使用绝对路径，大家根据自己的实际情况填写。
- 第2行，CURRENT_PATH 表示当前路径，直接通过运行 pwd 命令来获取当前所处路径。
- 第3行，obj-m 表示将 hello_drv.c 这个文件编译为 hello_drv.ko 模块。
- 第8行，具体的编译命令，后面的 modules 表示编译模块，-C 表示将当前的工作目录切换到指定目录中，也就是 KERNERLDIR 目录。M 表示模块源码目录，make modules 命令中加入 M=dir 以后程序会自动到指定的 dir 目录中读取模块的源码并将其编译为 .ko 文件。
- 第9行，使用交叉编译工具链将 hello_drv_test.c 编译成可以在 arm 板子上运行的hello_drv_test 可执行文件。
至此，目录下存在以下三个文件，分别是 hello_drv.c、hello_drv_test.c、Makefile
<4>、编译
Makefile 编写好以后输入 make 命令编译驱动模块，编译过程如图所示。
注：ubuntu 中的 linux 源码需要之前编译过，编译的具体步骤请参考：
荔枝派Zero(全志V3S)编译Kernel
编译成功以后就会生成一个叫做 hello_drv.ko 的文件，此文件就是 hello_drv 设备的驱动模块。至此，hello_drv设备的驱动就编译成功。
3、运行测试
<1>、上传程序到开发板执行
主机 ip ：192.168.25.25
板子 ip ：192.168.25.20
这里通过 tftp 命令将文件直接上传到板子上，具体的 tftp 服务器搭建及使用方法可以参考：SSH 服务器、NFS 服务器、TFTP 服务器详解及测试
在板子串口测执行以下指令将 hello_drv.ko、 hello_drv_test 传输到板子上
tftp -g -l hello_drv.ko 192.168.25.25
tftp -g -l hello_drv_test 192.168.25.25
ls
<2>、加载驱动模块
驱动模块 hello_drv.ko 和 hello_drv_test 可执行文件都已经准备好了，接下来就是运行测试。输入如下命令加载 hello_drv.ko 驱动文件：
insmod hello_drv.ko
输入 lsmod 命令即可查看当前系统中存在的模块
lsmod
当前系统只有 hello_drv 这一个模块。输入如下命令查看当前系统中有没有 hello_drv 这个设备：
cat /proc/devices
可以看出，当前系统存在 hello_drv 这个设备，主设备号为 200，跟我们设置的主设备号一致。
<3>、创建设备节点文件
驱动加载成功需要在 /dev 目录下创建一个与之对应的设备节点文件，应用程序就是通过操作这个设备节点文件来完成对具体设备的操作。输入如下命令创建 /dev/hello_drv 这个设备节点文件：
mknod /dev/hello_drv c 200 0
其中 mknod 是创建节点命令，/dev/hello_drv 是要创建的节点文件，c 表示这是个字符设备，200 是设备的主设备号，0 是设备的次设备号。创建完成以后就会存在 /dev/hello_drv 这个文件。
如果 hello_drv_test 想要读写 hello_drv 设备，直接对 /dev/hello_drv 进行读写操作即可。相当于 /dev/hello_drv 这个文件是 hello_drv 设备在用户空间中的实现。Linux 下一切皆文件，包括设备也是文件，现在大家应该是有这个概念了吧？
<4>、hello_drv 设备操作测试
一切准备就绪。使用 hello_drv_test 软件操作 hello_drv 这个设备，看看读写是否正常，首先进行写操作，将字符串输入 hello Licheepi !!! 写入到内核中
./hello_drv_test -w "hello Licheepi !!!"
然后再从内核中将刚写入的字符串读出来
./hello_drv_test -r
可以看到读写正常，说明我们编写的 hello_drv 驱动是没有问题的。
<5>、卸载驱动模块
如果不再使用某个设备的话可以将其驱动卸载掉，比如输入如下命令卸载掉 hello_drv 这个设备：
rmmod hello_drv.ko
卸载以后使用 lsmod 命令查看 hello_drv 这个模块还存不存在：
lsmod
可以看出，此时系统已经没有任何模块了，hello_drv 这个模块也不存在了，说明模块卸载成功。
至此，hello_drv 这个设备的整个驱动就验证完成了，驱动工作正常。以后的字符设备驱动实验基本都可以此为模板进行编写。
参考：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/584572352
总结
上面就是Linux中的字符驱动，做嵌入式还是要把 C 语言的基础打牢，尤其是结构体、指针和链表，如果这第三个你能很好的理解那么 Linux 驱动编程就非常容易，因为驱动开发就 = 软件架构 + 硬件操作。而软件架构就需要你要非常熟悉 C 语言，硬件操作就是你单片机的那几个寄存器操作。
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