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. 参照这两篇文章在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：

[email protected]:~/Android$ cd kernel/common/drivers

[email protected]:~/Android/kernel/common/drivers$ mkdir hello

三. 在hello目录中增加hello.h文件：

1.#ifndef _HELLO_Android_H_   
2.#define _HELLO_ANDROID_H_   
3.  
4.#include <linux/cdev.h>   
5.#include <linux/semaphore.h>   
6.  
7.#define HELLO_DEVICE_NODE_NAME  "hello"   
8.#define HELLO_DEVICE_FILE_NAME  "hello"   
9.#define HELLO_DEVICE_PROC_NAME  "hello"   
10.#define HELLO_DEVICE_CLASS_NAME "hello"   
11.  
12.struct hello_android_dev {  
13.    int val;  
14.    struct semaphore sem;  
15.    struct cdev dev;  
16.};  
17.  
18.#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：

1.#include <linux/init.h>   
2.#include <linux/module.h>   
3.#include <linux/types.h>   
4.#include <linux/fs.h>   
5.#include <linux/proc_fs.h>   
6.#include <linux/device.h>   
7.#include <asm/uaccess.h>   
8.  
9.#include "hello.h"   
10.  
11./*主设备和从设备号变量*/  
12.static int hello_major = 0;  
13.static int hello_minor = 0;  
14.  
15./*设备类别和设备变量*/  
16.static struct class* hello_class = NULL;  
17.static struct hello_Android_dev* hello_dev = NULL;  
18.  
19./*传统的设备文件操作方法*/  
20.static int hello_open(struct inode* inode, struct file* filp);  
21.static int hello_release(struct inode* inode, struct file* filp);  
22.static ssize_t hello_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos);  
23.static ssize_t hello_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos);  
24.  
25./*设备文件操作方法表*/  
26.static struct file_operations hello_fops = {  
27.    .owner = THIS_MODULE,  
28.    .open = hello_open,  
29.    .release = hello_release,  
30.    .read = hello_read,  
31.    .write = hello_write,   
32.};  
33.  
34./*定义设备属性*/  
35.static DEVICE_ATTR(val, S_IRUGO | S_IWUSR, hello_val_show, hello_val_store);  
36.  
37./*访问设置属性方法*/  
38.static ssize_t hello_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr,  char* buf);  
39.static ssize_t hello_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count);  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：

1./*打开设备方法*/  
2.static int hello_open(struct inode* inode, struct file* filp) {  
3.    struct hello_Android_dev* dev;          
4.      
5.    /*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*/  
6.    dev = container_of(inode->i_cdev, struct hello_android_dev, dev);  
7.    filp->private_data = dev;  
8.      
9.    return 0;  
10.}  
11.  
12./*设备文件释放时调用，空实现*/  
13.static int hello_release(struct inode* inode, struct file* filp) {  
14.    return 0;  
15.}  
16.  
17./*读取设备的寄存器val的值*/  
18.static ssize_t hello_read(struct file* filp, char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) {  
19.    ssize_t err = 0;  
20.    struct hello_android_dev* dev = filp->private_data;          
21.  
22.    /*同步访问*/  
23.    if(down_interruptible(&(dev->sem))) {  
24.        return -ERESTARTSYS;  
25.    }  
26.  
27.    if(count < sizeof(dev->val)) {  
28.        goto out;  
29.    }          
30.  
31.    /*将寄存器val的值拷贝到用户提供的缓冲区*/  
32.    if(copy_to_user(buf, &(dev->val), sizeof(dev->val))) {  
33.        err = -EFAULT;  
34.        goto out;  
35.    }  
36.  
37.    err = sizeof(dev->val);  
38.  
39.out:  
40.    up(&(dev->sem));  
41.    return err;  
42.}  
43.  
44./*写设备的寄存器值val*/  
45.static ssize_t hello_write(struct file* filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t* f_pos) {  
46.    struct hello_android_dev* dev = filp->private_data;  
47.    ssize_t err = 0;          
48.  
49.    /*同步访问*/  
50.    if(down_interruptible(&(dev->sem))) {  
51.        return -ERESTARTSYS;          
52.    }          
53.  
54.    if(count != sizeof(dev->val)) {  
55.        goto out;          
56.    }          
57.  
58.    /*将用户提供的缓冲区的值写到设备寄存器去*/  
59.    if(copy_from_user(&(dev->val), buf, count)) {  
60.        err = -EFAULT;  
61.        goto out;  
62.    }  
63.  
64.    err = sizeof(dev->val);  
65.  
66.out:  
67.    up(&(dev->sem));  
68.    return err;  
69.} 

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：

1./*读取寄存器val的值到缓冲区buf中，内部使用*/ 
2.static ssize_t __hello_get_val(struct hello_Android_dev* dev, char* buf) {  3.    int val = 0;          4. 
5.    /*同步访问*/  6.    if(down_interruptible(&(dev->sem))) {                  7.        return -ERESTARTSYS;          8.    }         
9. 
10.    val = dev->val;         
11.    up(&(dev->sem));         
12. 
13.    return snprintf(buf, PAGE_SIZE, "%d/n", val);  14.} 
15. 
16./*把缓冲区buf的值写到设备寄存器val中去，内部使用*/  17.static ssize_t __hello_set_val(struct hello_Android_dev* dev, const char* buf, size_t count) {  18.    int val = 0;          19. 
20.    /*将字符串转换成数字*/          21.    val = simple_strtol(buf, NULL, 10);         
22. 
23.    /*同步访问*/          24.    if(down_interruptible(&(dev->sem))) {                  25.        return -ERESTARTSYS;          26.    }         
27. 
28.    dev->val = val;         
29.    up(&(dev->sem)); 
30. 
31.    return count;  32.} 
33. 
34./*读取设备属性val*/  35.static ssize_t hello_val_show(struct device* dev, struct device_attribute* attr, char* buf) {  36.    struct hello_Android_dev* hdev = (struct hello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev);          37. 
38.    return __hello_get_val(hdev, buf);  39.} 
40. 
41./*写设备属性val*/  42.static ssize_t hello_val_store(struct device* dev, struct device_attribute* attr, const char* buf, size_t count) {   43.    struct hello_Android_dev* hdev = (struct hello_android_dev*)dev_get_drvdata(dev);    44.     
45.    return __hello_set_val(hdev, buf, count);  46.} 
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：

1./*读取设备寄存器val的值，保存在page缓冲区中*/ 
2.static ssize_t hello_proc_read(char* page, char** start, off_t off, int count, int* eof, void* data) {  3.    if(off > 0) {  4.        *eof = 1; 
5.        return 0;  6.    } 
7. 
8.    return __hello_get_val(hello_dev, page);  9.} 
10. 
11./*把缓冲区的值buff保存到设备寄存器val中去*/  12.static ssize_t hello_proc_write(struct file* filp, const char __user *buff, unsigned long len, void* data) {  13.    int err = 0;  14.    char* page = NULL;  15. 
16.    if(len > PAGE_SIZE) {  17.        printk(KERN_ALERT"The buff is too large: %lu./n", len);  18.        return -EFAULT;  19.    } 
20. 
21.    page = (char*)__get_free_page(GFP_KERNEL);  22.    if(!page) {                  23.        printk(KERN_ALERT"Failed to alloc page./n");  24.        return -ENOMEM;  25.    }         
26. 
27.    /*先把用户提供的缓冲区值拷贝到内核缓冲区中去*/  28.    if(copy_from_user(page, buff, len)) {  29.        printk(KERN_ALERT"Failed to copy buff from user./n");                  30.        err = -EFAULT; 
31.        goto out;  32.    } 
33. 
34.    err = __hello_set_val(hello_dev, page, len); 
35. 
36.out: 
37.    free_page((unsigned long)page);  38.    return err;  39.} 
40. 
41./*创建/proc/hello文件*/  42.static void hello_create_proc(void) {  43.    struct proc_dir_entry* entry;  44.     
45.    entry = create_proc_entry(HELLO_DEVICE_PROC_NAME, 0, NULL); 
46.    if(entry) {  47.        entry->owner = THIS_MODULE; 
48.        entry->read_proc = hello_proc_read; 
49.        entry->write_proc = hello_proc_write; 
50.    } 
51.} 
52. 
53./*删除/proc/hello文件*/  54.static void hello_remove_proc(void) {  55.    remove_proc_entry(HELLO_DEVICE_PROC_NAME, NULL); 
56.} 

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：

1./*初始化设备*/ 
2.static int  __hello_setup_dev(struct hello_Android_dev* dev) {  3.    int err;  4.    dev_t devno = MKDEV(hello_major, hello_minor); 
5. 
6.    memset(dev, 0, sizeof(struct hello_Android_dev));  7. 
8.    cdev_init(&(dev->dev), &hello_fops); 
9.    dev->dev.owner = THIS_MODULE; 
10.    dev->dev.ops = &hello_fops;         
11. 
12.    /*注册字符设备*/  13.    err = cdev_add(&(dev->dev),devno, 1); 
14.    if(err) {  15.        return err;  16.    }         
17. 
18.    /*初始化信号量和寄存器val的值*/  19.    init_MUTEX(&(dev->sem)); 
20.    dev->val = 0; 
21. 
22.    return 0;  23.} 
24. 
25./*模块加载方法*/  26.static int __init hello_init(void){   27.    int err = -1;  28.    dev_t dev = 0; 
29.    struct device* temp = NULL;  30. 
31.    printk(KERN_ALERT"Initializing hello device./n");          32. 
33.    /*动态分配主设备和从设备号*/  34.    err = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, HELLO_DEVICE_NODE_NAME); 
35.    if(err < 0) {  36.        printk(KERN_ALERT"Failed to alloc char dev region./n");  37.        goto fail;  38.    } 
39. 
40.    hello_major = MAJOR(dev); 
41.    hello_minor = MINOR(dev);         
42. 
43.    /*分配helo设备结构体变量*/  44.    hello_dev = kmalloc(sizeof(struct hello_Android_dev), GFP_KERNEL);  45.    if(!hello_dev) {  46.        err = -ENOMEM; 
47.        printk(KERN_ALERT"Failed to alloc hello_dev./n");  48.        goto unregister;  49.    }         
50. 
51.    /*初始化设备*/  52.    err = __hello_setup_dev(hello_dev); 
53.    if(err) {  54.        printk(KERN_ALERT"Failed to setup dev: %d./n", err);  55.        goto cleanup;  56.    }         
57. 
58.    /*在/sys/class/目录下创建设备类别目录hello*/  59.    hello_class = class_create(THIS_MODULE, HELLO_DEVICE_CLASS_NAME); 
60.    if(IS_ERR(hello_class)) {  61.        err = PTR_ERR(hello_class); 
62.        printk(KERN_ALERT"Failed to create hello class./n");  63.        goto destroy_cdev;  64.    }         
65. 
66.    /*在/dev/目录和/sys/class/hello目录下分别创建设备文件hello*/  67.    temp = device_create(hello_class, NULL, dev, "%s", HELLO_DEVICE_FILE_NAME);  68.    if(IS_ERR(temp)) {  69.        err = PTR_ERR(temp); 
70.        printk(KERN_ALERT"Failed to create hello device.");  71.        goto destroy_class;  72.    }         
73. 
74.    /*在/sys/class/hello/hello目录下创建属性文件val*/  75.    err = device_create_file(temp, &dev_attr_val); 
76.    if(err < 0) {  77.        printk(KERN_ALERT"Failed to create attribute val.");                  78.        goto destroy_device;  79.    } 
80. 
81.    dev_set_drvdata(temp, hello_dev);         
82. 
83.    /*创建/proc/hello文件*/  84.    hello_create_proc(); 
85. 
86.    printk(KERN_ALERT"Succedded to initialize hello device./n");  87.    return 0;  88. 
89.destroy_device: 
90.    device_destroy(hello_class, dev); 
91. 
92.destroy_class: 
93.    class_destroy(hello_class); 
94. 
95.destroy_cdev: 
96.    cdev_del(&(hello_dev->dev)); 
97. 
98.cleanup: 
99.    kfree(hello_dev); 
100. 
101.unregister: 
102.    unregister_chrdev_region(MKDEV(hello_major, hello_minor), 1); 
103. 
104.fail: 
105.    return err;  106.} 
107. 
108./*模块卸载方法*/  109.static void __exit hello_exit(void) {  110.    dev_t devno = MKDEV(hello_major, hello_minor); 
111. 
112.    printk(KERN_ALERT"Destroy hello device./n");          113. 
114.    /*删除/proc/hello文件*/  115.    hello_remove_proc();         
116. 
117.    /*销毁设备类别和设备*/  118.    if(hello_class) {  119.        device_destroy(hello_class, MKDEV(hello_major, hello_minor)); 
120.        class_destroy(hello_class); 
121.    }         
122. 
123.    /*删除字符设备和释放设备内存*/  124.    if(hello_dev) {  125.        cdev_del(&(hello_dev->dev)); 
126.        kfree(hello_dev); 
127.    }         
128. 
129.    /*释放设备号*/  130.    unregister_chrdev_region(devno, 1); 
131.} 
132. 
133.MODULE_LICENSE("GPL");  134.MODULE_DESCRIPTION("First Android Driver");  135. 
136.module_init(hello_init); 
137.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：
        [email protected]:~/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：
        [email protected]:~/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：
        [email protected]:~/Android$ emulator -kernel ./kernel/common/arch/arm/boot/zImage &
        [email protected]:~/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。
本篇文章来源于 Linux公社网站(www.linuxidc.com)  原文链接：http://www.linuxidc.com/Linux/2011-07/38977p5.htm