嵌入式之路，贵在日常点滴

                                                                ---阿杰在线送代码

目录

一、驱动初步认知

为什么要学会写驱动？

设备号的两个作用？

索引驱动在驱动链表中的位置 

从open到设备，从上层到底层，经历了什么？（理解透这个工作过程，面试）

二、基于内核驱动框架编写驱动代码流程 

1.编写上层应用代码

2.根据上层需求修改内核驱动框架代码

代码补充解读

static的作用

结构体成员变量的单独赋值

结构体file_operations

手动生成设备

3.在Ubuntu上交叉编译（很重要）

驱动框架的模块编译并发送至树莓派

上层代码的编译并发送至树莓派

4.树莓派装载驱动并运行

①树莓派装载驱动

②运行上层代码 

③增加访问权限再运行

拓展 >> chmod 命令用于更改文件/文件夹的属性（读，写，执行） 

是否执行成功：demsg指令查看内核打印信息

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一、驱动初步认知

为什么要学会写驱动？

树莓派开发简单是因为有厂家提供的wiringPi库，实现超声波，实现继电器操作，做灯的点亮…都非常简单。

但未来做开发时，不一定都是用树莓派，则没有wiringPi库可以用。但只要能运行Linux，linux的标准C库一定有。

学会根据标准C库编写驱动，只要能拿到linux内核源码，拿到芯片手册，电路图…就能做开发。

用树莓派学习的目的不仅是为是体验其强大便捷的wiringPi库，更要通过树莓派学会linux内核开发，驱动编写等，做一个属于自己的库。

设备号的两个作用？

区分硬件

linux一切皆为文件，其设备管理同样是和文件系统紧密结合。各种设备都以文件的形式存放在/dev目录下，称为设备文件。应用程序可以打开、关闭和读写这些设备文件，完成对设备的操作，就像操作普通的数据文件一样。

在目录/dev下都能看到鼠标，键盘，屏幕，串口等设备文件，硬件要有相对应的驱动，那么open怎样区分这些硬件呢？ 

依靠文件名与设备号。

在/dev下ls -l可以看到 

索引驱动在驱动链表中的位置 

设备号又分为：主设备号用于区别不同种类的设备；次设备号区别同种类型的多个设备。 

内核中存在一个驱动链表：管理所有设备的驱动。 

驱动插入到链表的位置（顺序）由设备号检索。  

驱动开发无非以下两件事：

• 1、添加驱动：编写完驱动程序，加载到内核

             添加驱动做的几件事：

                1、 设备名；2、设备号；3、设备驱动函数（通过操作寄存器去操作IO口）

• 2、调用驱动：用户空间open后，调用驱动程序

从open到设备，从上层到底层，经历了什么？（理解透这个工作过程，面试）

1. 用户层调用open产生一个软中断（中断号是0x80），进入内核空间调用sys_call。
2. sys_call真正调用的是sys_open,去内核的驱动链表根据主设备号与次设备号找到相关驱动函数。
3. 调用驱动函数里面的open,去设置IO口引脚电平。

流程如下图绿色箭头所示： 

 

二、基于内核驱动框架编写驱动代码流程 

目的是用简单的例子展示从用户空间到内核空间的整套流程。

1.编写上层应用代码

在上层访问一个设备跟访问普通的文件没什么区别。试写一个简单的open和write去操作设备"pin4"。

#include 
#include 
#include 
#include 
 
int main()
{
	int fd;
	fd = open("/dev/pin4",O_RDWR);
	if(fd < 0){
		printf("open failed\n");
		perror("reson");
	}else{
		printf("open success\n");
	}
	fd = write(fd,'1',1);//写一个字符'1',写一个字节
	return 0;
}

根据上面提到的驱动认知，有个大致的概念，以open为例子：
上层open→sys_call→sys_open→内核驱动链表节点→执行节点里的open 

当然，没有装载驱动的话这个程序执行一定会报错。只有在内核装载了驱动并且在/dev下生成了“pin4”这样一个设备才能运行。

接下来介绍最简单的字符设备驱动框架。

2.根据上层需求修改内核驱动框架代码

所谓框架，就是定死的东西，基本的语句必须要有，少一个都不行。

虽然有这么多的代码，但核心运行的就两个printk。

#include 		 //file_operations声明
#include     //module_init  module_exit声明
#include       //__init  __exit 宏定义声明
#include 	 //class  devise声明
#include    //copy_from_user 的头文件
#include      //设备号  dev_t 类型声明
#include           //ioremap iounmap的头文件
 
static struct class *pin4_class;  
static struct device *pin4_class_dev;
 
static dev_t devno;                //设备号
static int major =231;  		   //主设备号
static int minor =0;			   //次设备号
static char *module_name="pin4";   //模块名
 
//pin4_read函数
//static int pin4_read(struct file *file,char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
//{
//    printk("pin4_write\n");
//    return 0;
//}
 
//pin4_open函数
static int pin4_open(struct inode *inode,struct file *file)
{
    printk("pin4_open\n");  //内核的打印函数，和printf类似
   
    return 0;
}
 
//pin4_write函数
static ssize_t pin4_write(struct file *file,const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{
	printk("pin4_write\n");
    return 0;
}
 
static struct file_operations pin4_fops = {
 
    .owner = THIS_MODULE,
    .open  = pin4_open,
    .write = pin4_write,
};
 
int __init pin4_drv_init(void)   //驱动的真正入口
{
 
    int ret;
    devno = MKDEV(major,minor);  //创建设备号
    ret   = register_chrdev(major, module_name,&pin4_fops);  //注册驱动  告诉内核，把这个驱动加入到内核驱动的链表中
 
    pin4_class=class_create(THIS_MODULE,"myfirstdemo");  //由代码在/dev下自动生成设备
    pin4_class_dev =device_create(pin4_class,NULL,devno,NULL,module_name);  //创建设备文件
 
 
    return 0;
}
 
void __exit pin4_drv_exit(void)
{
 
    device_destroy(pin4_class,devno);
    class_destroy(pin4_class);
    unregister_chrdev(major, module_name);  //卸载驱动
 
}
 
module_init(pin4_drv_init);  //入口:内核加载驱动的时候，这个宏会被调用，而真正的驱动入口是它调用的函数
module_exit(pin4_drv_exit);
MODULE_LICENSE("GPL v2");

不方便在注释中标注的，在下面详细说明： 

代码补充解读

static的作用

内核代码数量庞大，为了防止与其他的文件有变量命名冲突，static限定变量的作用域仅仅只在这个文件。

结构体成员变量的单独赋值

static struct file_operations pin4_fops = {
 
    .owner = THIS_MODULE,
    .open  = pin4_open,
    .write = pin4_write,
};

这是内核代码中常见的对结构体的操作方式，单独给指定结构体元素赋值，其他不管。

注意：在keil的编译工具环境中不允许这样写，linux可以。

结构体file_operations

在SourceInsight中查看结构体file_operations,可以发现很多的函数指针，这些函数名跟系统上层文件的操作差不多。（read,write,llseek）（在课程视频9:36）

如果上层想要实现read,就复制过来，按照格式改一改。

上层对应底层，上层想要用read，底层就要有read的支持。

手动生成设备

框架中有自动生成设备的代码

那么手动生成设备是怎么样的呢？（一般不这样干，麻烦，仅作为演示）

• 进入/dev目录，查看帮助可知道创建规则

sudo mknod 设备名称 设备类型 主设备号 次设备号

• 使用如下命令创建名称为ajie，主设备号为8，次设备号为1的字符设备。

sudo mknod ajie c 8 1

用ls ajie -l可以看到已经创建成功 

 

3.在Ubuntu上交叉编译（很重要）

驱动框架的模块编译并发送至树莓派

在ubuntu中，进入字符设备驱动目录linux-rpi-4.14.y/drivers/char

拷贝上文分析过的驱动框架代码，创建名为pin4driver.c的文件.

①修改Makefile

进行配置，使得工程编译时可以编译这个文件

vi Makefile

当然不一定要放在/char下。但注意：放在哪个文件夹下，就修改那个文件夹的Makefile即可。 

Makefile:

模仿这些文件的编译方式，以编译成模块的形式（还有一个方式为编译进内核）编译pin4driver.c

添加 

obj-m                           += pin4driver.o

如图： 

 

②进行模块编译

之前编译内核的时候用的是这个命令：

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make -j4 zImage modules dtbs

现在只需进行模块编译，不需要生成zImage,dtbs文件; 

• 回到源码目录/linux-rpi-4.14.y再执行下面指令

ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- KERNEL=kernel7 make -j4 modules

进入/char目录发现已经生成一下文件则为成功

③把.ko文件发送至树莓派 

scp drivers/char/pin4driver.ko pi@192.168.0.109:/home/pi

上层代码的编译并发送至树莓派

拷贝上文分析的上层代码到ubuntu中，此处我命名为pin4test.c

使用交叉编译工具进行编译 

arm-linux-gnueabihf-gcc pin4test.c -o pin4test

发送至树莓派 

scp pin4test pi@192.168.0.109:/home/pi

4.树莓派装载驱动并运行

①树莓派装载驱动

sudo insmod pin4driver.ko

• 查看是否已经成功添加驱动

可以去设备下查看

ls /dev/pin4 -l

看到驱动添加成功 

 

或者lsmod查看内核挂载的驱动 

 

如果需要卸载驱动，就sudo rmmod pin4drive 

②运行上层代码 

./pin4test

发现没有对设备pin4的访问权限 

 

crw是超级用户所拥有的权限，而框中两类用户则无读写的权限（下面有详细说明） 

③增加访问权限再运行

解决方法1：加超级用户

sudo ./pin4test

解决方法2：增加“所有用户都可以访问的权限”（建议） 

sudo chmod 666 /dev/pin4

拓展 >> chmod 命令用于更改文件/文件夹的属性（读，写，执行） 

Linux/Unix 的档案调用权限分为三级 : 档案拥有者（user）、群组（group）、其他（other）。利用 chmod 可以藉以控制档案如何被他人所调用

r 表示可读取，w 表示可写入，x 表示可执行

r=4，w=2，x=1

若要rwx属性则4+2+1=7；

若要rw-属性则4+2=6；

若要r-x属性则4+1=7。 

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-rw------- (600) -- 只有属主有读写权限。 
-rw-r--r-- (644) -- 只有属主有读写权限；而属组用户和其他用户只有读权限。 
-rwx------ (700) -- 只有属主有读、写、执行权限。 
-rwxr-xr-x (755) -- 属主有读、写、执行权限；而属组用户和其他用户只有读、执行权限。 
-rwx--x--x (711) -- 属主有读、写、执行权限；而属组用户和其他用户只有执行权限。 
-rw-rw-rw- (666) -- 所有用户都有文件读、写权限。这种做法不可取。 
-rwxrwxrwx (777) -- 所有用户都有读、写、执行权限。更不可取的做法。 

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EG： chmod 744 仅允许用户(所有者)执行所有操作，而组和其他用户只允许读。

是否执行成功：demsg指令查看内核打印信息

用dmesg命令显示内核缓冲区信息，并通过管道筛选与pin4相关信息

dmesg | grep pin4

可以看到这两个打印信息，说明内核的printk已经被成功调用，我们已经成功完成了上层对内核的调用 !