Linux内核驱动开发（一）

Linux内核初探

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  • kernel 内核

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  • mm 内存管理

  • net 网络相关

  • scripts 脚本

  • security 安全相关

  • sound 音频相关

  • tools 工具（perf 测试工具）

  • usr 生成打包等

  • virt 虚拟化

• 内核配置和编译

  • 工具链（编译器 arm-linux-gcc、链接工具 ld、查看 objdump、调试）
  • 配置内核（决定需要编译的代码模块）
  • 编译内核（生成可执行文件）

• vmlinux（原始，未压缩的可执行文件）、zImage（压缩的可执行文件=压缩vmlinux+解压程序头）和uImage（用于给uboot引导的zImage）

花里胡哨：

ls -a 显示隐藏文件，即.***
Y 编译内核 N 不编译内核 M 模块编译
make -j4 zImage
CC 一个.o ；LD 一个目标下的.o

Linux内核的基本概念

• 物理地址&虚拟地址

  • 地址转换：内核使用的地址一定是内核地址，但是cpu使用的是物理地址，中间存在一个转换过程。

    • phys_to_virt:
    • virt_to_phys:
      

  • 页表：虚拟 -》物理；内存管理最小单位为页（大小为4k）；页表大小=所有物理地址/4k。

    • 页表初始化：start_kernel->mm_init->mm_alloc_pgd（划出一段内存，页表初始化）
      
    • ioremap(cookie,size)：最后调用 分配pgd

  • 内存属性：可读、可写、可执行。

• Linux内核中的内存管理

  • 页（4k byte）为单位进行管理

  • 分配内存举例

    • alloc_pages(gfp_mask,order)：分配内存的底层调用，可以分配整页的内存；gfp_mask是不同选项的组合（GFP_NOWAIT：分配不允许等待；GFP_ATOMIC；GFP_NOFS：不能进行文件操作；GFP_KERNEL：给内核用；GFP_USER；GFP_IOFS：分配内存可以IO操作）；order分配2的次方的页
    • kmalloc：分配内存的函数（以字节为单位），分配内存必定是连续的。
    • vmalloc：分配内存物理上不连续，虚拟地址连续。

• 系统调用（Linux特用）：用户调用内核函数（API）的媒介，具体实现（通过一个 异常 ，使得应用程序陷入内核中执行）

• 内核进程、线程

  • 内核只有线程，没有进程

  • 线程的task_struct（核心结构）：包括进程的优先级、堆栈信息、打开文件句柄信息
    
    

  • 线程的调度（3种优先级：SCHED_RR、SCHED_PRI、SCHED_RT）；调度的时机：时钟中断发生；Linux发生内核态和用户态相互切换；Liunx执行完信号

• 内核中同步和线程间通信方式

  • 原子操作：不可能被打断的基本操作

  • 同步通信方式

    • 自旋锁（spin_lock）
      

    • 信号量（up：释放 和 down：）
      
      

  • 异步通信方式

    • 信号 – signal ：处理信号的函数在task_struct中指明。
      

• 中断

  • 中断的硬件概念：就是一个外部的电平信号
  • 中断处理的上半部：需要linux内核关闭其他硬件信号
  • 中断处理的下半部：上半部中来不及处理、比较冗长的程序段；需要等待其他程序结果，或者需要等待获取其他资源的程序段。

• 时钟和定时器管理

  • 时钟硬件概念：能够产生一种定时中断的电路
  • RTC（实时时钟或实时计数器）和system timer（很多情况就是用来作为延迟和计算相对时间）
  • tick（时钟中断的周期，HZ）& jiffies（全局变量，如果是64位系统，就是64位的变量，记录了从上电开始，所经历的tick数）

• 文件系统

  • 虚拟文件系统（VFS）：是linux内核为了屏蔽物理文件系统的差异所产生的一个中间层。
  • 物理文件系统（ext4：最大特点是具有完善的日志系统，yaffs2：比较适合在nand flash部署的文件系统，ubifs和btfs）

Linux驱动程序开发基础

• 内核模块编程

  • 驱动模块化编程的好处

    • 驱动编译进内核，导致内核非常大
    • 很多驱动都只是在特定机器上使用
    • 实现热插拔提供基础

  • 模块编程的代码实例

    • 实例验证hello.ko模块
      
      

  • Makefile的写法

- 其他

	- 模块位置可以随意放置
	- 内核代码更新，模块代码也要更新

• 驱动程序访问硬件的特殊性

  • DMA

    • dma的基本硬件概念：是存在外设设备中的一个硬件控制器，作用是不需要cpu协助，就可以搬移内存数据到外设的存储设备中。

    • dma的基本配置过程：通过程序配置dma控制器，告诉dma控制器它可以访问的内存地址。然后cpu将要传给外设的数据写到事前约定好的地址。

  • IO子系统：在嵌入式系统中，实现对外围附属设备进行控制的有效手段。通过IO端口进行0和1操作，可以发指令或者传递信息给附属设备。

• Linux设备模型：最初目的是实现只能电源管理

  • kobject

    • 一个设备驱动会建立一个kobject，偶尔也有因为功能复杂的原因而建立多个kobject。

    • koject会有一个一个kobj_type属性。
      

        - entry ：本人所在目录
        - parent：父节点
        - kset：一组类似性质的kobject集合
        - ktype：类型
        - kref：这个对象的引用计数
      

    • kobject一般都是sysfs中的一个目录，从而形成对用户空间的交互。

    • 引用计数kref。

  • kset：一组类似性质的kobject集合；一个kset也就是一个子系统，它是sysfs的一个顶层目录的表征。比如block子系统，各种总线子系统。

  • sysfs：虚拟文件系统（管理内核的设备而非磁盘，它是kobject对象的完整视图）

    • 主要api（sysfs_create_file; sysfs_create_link; sysfs_remove_file; sysfs_remove_link）

    • 提供丰富的内核和用户空间交互的手段

    • sysfs主要目录结构

        - block：块设备，独立于所链接的总线。
        - devices：被所有内核识别的硬件设备，依照链接他们的总线对其进行组织。
        - bus：系统中用于连接设备的总线
        - drivers：在内核中注册的设备驱动程序
        - class：系统中设备的类型（声卡，网卡，显卡等）；同一类可能包含由不同总线连接的设备，于是由不同的驱动程序驱动。
        - power：处理一些硬件设备电源状态的文件。
        - firmware：处理一些硬件设备固件的文件。
      

  • udev：处理热插拔机制，通过设备驱动加载时，注册kobject后，向用户空间发送uevent实现的。

• Linux驱动的分类

  • 字符设备：一般都是以串行顺序依次进行访问，典型的包括触摸屏，鼠标，按键等。

    • cdev结构：
      

  • 块设备：一般以扇区、块为单位进行读写访问，例如硬盘，cdrom，flash等
    

  • 网络设备：以太网的设备。

  • 杂项设备：没法归类或复合设备。

• Linux内核的基本调试方法

  • printk

    • 级别
    • dmesg
    • 打开和关闭调试信息

  • oops

  • kprobe

  • kcore