Linux驱动程序设计.ppt

2019年7月21日 1,教学内容,第一章 嵌入式系统概述 第二章 学习板硬件及开发环境的建立 第三章 构建嵌入式Linux系统 第四章 嵌入式Linux设备驱动 第五章 嵌入式Linux串口和网络编程 第六章 嵌入式Linux图形编程,2019年7月21日 2,第四章 嵌入式Linux驱动程序,4.1 嵌入式Linux设备驱动简介 4.2 设备的分类及特点 4.3 构造和运行驱动程序模块,2019年7月21日 3,课程目标,掌握嵌入式Linux设备驱动程序的基本原理、架构和设计方法 字符设备驱动 块设备驱动 网络设备驱动 掌握Linux设备驱动开发中常用的机制和内核资源 中断顶/底半部处理 内核定时器和延时操作 并发控制在内核中的应用 内存管理和分配 阻塞型I/O和非阻塞型I/O,2019年7月21日 4,本章目标,了解Linux设备驱动程序的基础知识 掌握Linux驱动模块的构造和装载方法,2019年7月21日 5,本章结构,设备驱动程序简介,Linux驱动程序概述,设备驱动的Hello World模块,内核驱动模块和应用程序对比,编译和装载驱动模块,构造和运行模块,设备的分类和特点,字符设备,网络设备,块设备,驱动程序的作用,应用程序,驱动程序,操作系统,硬件设备,write,ioctl,read,ioctl,2019年7月21日 7,为什么要学嵌入式Linux驱动程序开发？,高需求 内核代码的大部分 新芯片、新设备 高门槛 需要具有硬件知识 需要了解内核基础知识 需要了解内核中的并发控制和同步 复杂的软件结构框架 高回报,2019年7月21日 8,4-1设备驱动程序简介,驱动程序的特点 操控硬件，是应用程序和硬件设备之间的一个接口 隐藏硬件细节，提高应用软件的可移植性 提供安全性 开发模式 内核态驱动 用户态驱动 提供机制，而不是提供策略 机制：驱动程序能实现什么功能 策略：用户如何使用这些功能,内核态和用户态,大多数OS（包括Linux）把内核和运行在其上的应用程序分为两个层次管理，即用户态和内核态 内核态有较高的权限，可以控制处理器内存的映射和分配方式等等对应于ARM的svc模式 用户态：只能运行系统上的应用程序对应于ARM的usr模式 内核态与用户态切换：可通过软件中断实现,内核态和用户态,驱动程序作为系统内核的一部分，其工作在内核态，而应用程序工作在用户态，即不能直接通过指针，把用户空间的数据地址传递给内核（MMU映射地址不一样）。 需要经过转换，把用户态“看到的空间”转换成内核态可访问的地址。Linux系统提供了一系列方便的函数实现这种转换，如：_get_user、_put_user、 _copy_from_user、_copy_to_user,2019年7月21日 11,4-2设备的分类和特点,设备分类 字符设备(char device) 块设备(block device) 网络设备(network device),2019年7月21日 12,4-2设备的分类和特点,字符设备特点 像字节流一样来存取的设备( 如同文件 ) 通过/dev下的文件系统结点来访问。 通常至少需要实现 open, close, read, 和 write 等系统调用 只能顺序访问数据通道，不能前后移动访问指针。 特例:比如framebuffer设备就是这样的设备，应用程序可以使用mmap或lseek访问图像的各个区域,Linux内核结构,Linux内核结构,应用程序、库、内核、驱动程序的关系,open read write ioctl 调用其他库函数,称为系统调用，执行swi指令进入内核,系统调用的异常处理,其他功能,物理设备控制器,物理设备,应用程序,库,其他库函数的实现,内核,open read write ioctl ,驱动程序,4层软件关系说明,（1）应用程序使用库函数提供的open函数打开设备文件 （2）库根据open函数传入的参数执行“swi”指令，引起CPU异常，进入内核 （3）内核的异常处理函数根据这些参数找到相应的驱动程序，返回一个文件描述符给库，进而返回给应用程序 （4）应用程序得到文件描述符后，使用库提供的write或ioclt函数发出控制命令 （5）库根据write或ioclt函数传入的参数执行“swi”指令，这条指令会引起CPU异常，再次进入内核 （6）内核的异常处理函数根据参数调用驱动程序的相关函数，控制硬件,2019年7月21日 17,4-2设备的分类和特点,块设备特点 块设备通过位于 /dev 目录的文件系统结点来存取 块设备和字符设备的区别仅仅在于内核内部管理数据的方式 块设备有专门的接口，块设备的接口必须支持挂装（mount）文件系统。 应用程序一般通过文件系统来访问块设备上的内容,2019年7月21日 18,4-2设备的分类和特点,网络设备特点 通过单独的网络接口来访问 任何一个网络事务都通过一个网络接口访问，即一个能够和其他主机交换数据的设备。 网卡 软件设备:环回接口（loopback） 内核调用一套和数据包传输相关的函数,2019年7月21日 19,4-3 构造和运行模块,驱动程序加入内核的方法 把所有需要的功能都编译到内核中 生成的内核镜像（Image）文件会很大 如果我们要在现有的内核中新增或删除功能，将不得不重新编译和装载内核。,？,2019年7月21日 20,4-3 驱动程序加入内核的方法,Linux提供了机制被称为模块（Module）的机制 提供了对许多模块支持, 包括但不限于, 设备驱动 每个模块由目标代码组成( 没有连接成一个完整可执行程序 ) insmod 将模块动态加载到正在运行内核 rmmod 程序移除模块,2019年7月21日 21,4.3.1 设备驱动的Hello World模块,#include #include MODULE_LICENSE(“Dual BSD/GPL“); static int _init hello_init(void) printk(KERN_ALERT “Hello worldn“); return 0; static void _exit hello_exit(void) printk(KERN_ALERT “ Hello world exitn“); module_init(hello_init); module_exit(hello_exit);,自由许可证,模块卸载宏,用法类似于printf，但它有优先级(比如KERN_ALERT),模块初始化宏,宏，告诉内核这两个函数只会在加载和卸载模块时使用,打印调试printk,指示日志级别的宏 KERN_EMERG 用于紧急事件消息，一般是系统崩溃前提示 KERN_ALERT 用于需要立即采取动作 KERN_CRIT 临界状态，通常涉及到严重的硬件或软件操作失败 KERN_ERR 用于报告错误状态，设备驱动程序会经常使用其来报告来自硬件的问题 KERN_WARNING 用于对可能出现的问题进行警告 KERN_NOTICE 用于有必要进行提示的正常情况 KERN_INFO 提示性信息 KERN_DEBUG 用于调试信息,打印调试printk,每个宏表示一个中的整数（07），数值越小，优先级越高 未指定优先级在内核2.6版本中就是KENR_WARNING,简单的内核模块编译（内核2.4）,编译内核模块 #gcc O -DMODULE -D_KERNEL_ -c hello.c -I /usr/src/linux/include (x86 or ARM ? ) 生成hello.o 加载内核模块：insmod #insmod hello.o #dmesg Hello,world 查看内核中使用的模块 #lsmod | grep hello 卸载内核模块：rmmod #rmmod hello.o #dmesg Goodbye world,简单的内核模块编译（内核2.6）,obj-m := led_drv.o KDIR:=/home/at9200/kernel/linux-2.6.38/ PWD :=$(shell pwd) all: make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules clean: make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean,Makefile文件内容,简单的内核模块编译（内核2.6）,obj-m := led_drv.o表示编译后生成led_drv.ko模块 $(KDIR) 指定了target内核源码的路径，“M=”表示这是个外部模块，M=$(PWD) 指定了该模块文件所在的路径。,简单的内核模块编译（内核2.6）,如果是多个源文件编译出一个模块，假设模块名是test.ko，那么源文件名不能有test.c obj-m := test.o test-objs := file1.o file2.o file3.o KDIR := /home/at9200/kernel/linux-2.6.38/ PWD := $(shell pwd) all: make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules clean: make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean,2019年7月21日 28,4.3.1 设备驱动的Hello World模块,Linux内核模块的程序结构 module_init()-模块加载函数（必须） 通过insmod或modprobe命令加载内核模块时，模块的加载函数会自动被内核执行，完成模块的相关初始化工作 module_exit()-模块卸载函数（必须） 当通过rmmod命令卸载某模块时，模块的卸载函数会自动被内核执行，完成与模块装载函数相反的功能,2019年7月21日 29,4-3-1 设备驱动的Hello World模块,MODULE_LICENSE()-模块许可证声明（必须） 模块许可证（LICENSE）声明描述内核模块的许可权限 如果不声明LICENSE,模块被加载时，将收到内核被污染（kernel tainted）的警告 包括：“GPL”、 “GPL v2”、 “GPL and additional rights”、 “Dual BSD/GPL”、“Dual MPI/GPL”、 “Proprietary”,2019年7月21日 30,4-3-1 设备驱动的Hello World模块,模块加载函数 static int _init initialization_function(void) /* 初始化代码 */ module_init(initialization_function);,应当声明成静态的（static）, 因为它们不会在特定文件之外可见,表明该函数只是在初始化时使用。模块加载器在模块加载后会丢掉这个初始化函数, 这样可将该函数占用的内存释放出来，以作他用。 原型：#define _init _attribute_ (_section_(“.init.text”),定义会在模块目标代码中增加一个特殊的段, 用于说明内核模块初始化函数所在的位置。没有这个定义, 初始化函数不会被调用。,2019年7月21日 31,4-3-1 设备驱动的Hello World模块,模块卸载函数 static void _exit cleanup_function(void) /* 释放资源 */ module_exit(cleanup_function);,在模块被移除前注销接口并释放所有所占用的系统资源,标识这个代码是只用于模块卸载( 通过使编译器把它放在特殊的 ELF 段) 原型：#define _exit _attribute_ (_section_(“.exit.text”),2019年7月21日 32,4.3.1 设备驱动的Hello World模块,#include #include MODULE_LICENSE(“Dual BSD/GPL“); static int _init hello_init(void) printk(KERN_ALERT “Hello worldn“); return 0; static void _exit hello_exit(void) printk(KERN_ALERT “ Hello world exitn“); module_init(hello_init); module_exit(hello_exit);,2019年7月21日 33,4-3-1 设备驱动的Hello World模块,module_param()-模块参数（可选） 模块参数是模块被加载的时候可以被传递给它的值，它本身对应模块内部的全局变量。,2019年7月21日 34,4-3-1 设备驱动的Hello World模块,EXPORT_SYMBOL()-模块导出符号（可选） 内核模块可以导出符号（symbol，对应于函数或变量）到内核 其他模块可以使用本模块中的变量或函数 其他一些声明MODULE_XXXXX()-模块声明（可选）,2019年7月21日 35,4.3.1 设备驱动的Hello World模块,#include #include MODULE_LICENSE(“Dual BSD/GPL“); static char *whom = “world“; static int howmany = 1; static int hello_init(void) int i; for(i=0;ihowmany;i+) printk(KERN_ALERT “Hello %sn“,whom); return 0; static void hello_exit(void) printk(KERN_ALERT “ Hello world exitn“); module_init(hello_init); module_exit(hello_exit); module_param(howmany, int, S_IRUGO); module_param(whom, charp, S_IRUGO);,module_param（参数名， 参数类型，参数读/写权限）,2019年7月21日 36,4-3-1 设备驱动的Hello World模块,module_param（参数名，参数类型，参数读/写权限） 内核支持的模块参数类型包括： byte、short、ushort、int、uint、long、ulong、charp(字符指针)、bool以u开头的为无符号值。,static char *whom = “world“; static int howmany = 1; module_param(howmany, int, S_IRUGO); module_param(whom, charp, S_IRUGO);,2019年7月21日 37,4-3-1 设备驱动的Hello World模块,模块也可以拥有参数数组 形式为“module_param_array（数组名，数组类型，数组长，参数读/写权限）”。 运行insmod或modprobe命令时，应使用逗号分隔输入的数组元素 装载模块时改变参数： 可通过insmod或modprobe insmod hello_ext.ko howmany=5 whom=“Students“ modprobe也可以从它的配置文件(/etc/modprobe.conf)读取参数的值,2019年7月21日 38,4.3.1 设备驱动的Hello World模块,模块导出符号 EXPORT_SYMBOL(name); EXPORT_SYMBOL_GPL(name);,_GPL 版本的宏定义的导出符号只能对 GPL 许可的模块可用,注： 符号必须在模块文件的全局部分导出, 不能在函数中导出,2019年7月21日 39,4.3.1 设备驱动的Hello World模块,/hello.c #include #include MODULE_LICENSE(“GPL“); MODULE_AUTHOR(“David Xie“); MODULE_DESCRIPTION(“Hello World Module“); MODULE_ALIAS(“a simplest module“); extern int add_integar(int a,int b); extern int sub_integar(int a,int b); static int _init hello_init() int res_add = add_integar(1,2); printk(“res_add=%dn”,res_add); return 0; static void _exit hello_exit() int res_sub = sub_integar(2,1); printk(“res_sub=%dn”,res_sub); module_init(hello_init); module_exit(hello_exit);,/ calculate.c #include #include MODULE_LICENSE(“GPL“); int add_integar(int a,int b) return a+b; int sub_integar(int a,int b) return a-b; static int _init sym_init() return 0; static void _exit sym_exit() ; module_init(sym_init); module_exit(sym_exit); EXPORT_SYMBOL(add_integar); EXPORT_SYMBOL(sub_integar);,2019年7月21日 40,4-3-1 设备驱动的Hello World模块,模块声明与描述 MODULE_AUTHOR(author); -声明模块的作者 MODULE_DESCRIPTION(description); -声明模块的描述 MODULE_VERSION(version_string); -声明模块的版本 MODULE_DEVICE_TABLE(table_info); -声明模块的设备表 MODULE_ALIAS(alternate_name); -声明模块的别名,2019年7月21日 41,4-3-1 设备驱动的Hello World模块,模块的使用计数 Linux2.4内核 MOD_INC_USE_COUNT（加一计数） MOD_DEC_USE_COUNT（减一计数） Linux2.6内核中 int try_module_get(struct module *module); void module_put(struct module *module);,在Linux2.6内核下，对于设备驱动工程师而言，很少需要 亲自调用try_module_get()和module_put()，因为模块的 计数管理由内核里更底层的代码（如总线驱动或是此类设 备共用的核心模块）来实现，从而简化了设备驱动的开发,2019年7月21日 42,4-3-2 内核驱动模块与应用程序对比,应用程序是一个进程 编程从主函数main（）开始 主函数main返回即是进程结束 驱动程序是一系列内核函数 驱动程序向内核添加了一些函数,是内核的一部分 Open（） Release（） Read（） Write（） 这些函数由内核在适当的时候来调用 这些函数可以用来完成硬件访问等操作,2019年7月21日 43,4-3-3 编译和装载驱动模块,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 *); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*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 *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, int datasync); int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync); int (*fasync) (int, struc