Linux 驱动开发基础知识——Hello驱动程序（一）

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文章介绍：

🎉 本篇文章对Linux驱动基础学习的相关知识进行分享！🥳🥳🥳

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一、Hello 驱动(不涉及硬件操作)

我们选用的内核都是 4.x 版本，操作都是类似的：

rk3399 linux 4.4.154

rk3288 linux 4.4.154

imx6ul linux 4.9.88

am3358 linux 4.9.168

1.如何编写驱动程序

2.APP 打开的文件在内核中如何表示

APP 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。

可以猜测，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。

3. 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。

结构体 struct file_operations 的定义如下：

二、编写代码

1.写驱动程序

参考driver/char 中的程序，包含头文件，写框架，传输数据：

（1）驱动中实现 open, read, write, release，APP 调用这些函数时，都打印内核信息

（2）APP 调用 write 函数时，传入的数据保存在驱动中

（3）APP 调用 read 函数时，把驱动中保存的数据返回给 APP

2.hello_drv.c：

#include <linux/module.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>

/* 1. 确定主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static char kernel_buf[1024];
static struct class *hello_class;


#define MIN(a, b) (a < b ? a : b)

/* 3. 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体                   */
static ssize_t hello_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	err = copy_to_user(buf, kernel_buf, MIN(1024, size));
	return MIN(1024, size);
}

static ssize_t hello_drv_write (struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	err = copy_from_user(kernel_buf, buf, MIN(1024, size));
	return MIN(1024, size);
}

static int hello_drv_open (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

static int hello_drv_close (struct inode *node, struct file *file)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	return 0;
}

/* 2. 定义自己的file_operations结构体                                              */
static struct file_operations hello_drv = {
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.open    = hello_drv_open,
	.read    = hello_drv_read,
	.write   = hello_drv_write,
	.release = hello_drv_close,
};

/* 4. 把file_operations结构体告诉内核：注册驱动程序                                */
/* 5. 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 */
static int __init hello_init(void)
{
	int err;
	
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	major = register_chrdev(0, "hello", &hello_drv);  /* /dev/hello */


	hello_class = class_create(THIS_MODULE, "hello_class");
	err = PTR_ERR(hello_class);
	if (IS_ERR(hello_class)) {
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		unregister_chrdev(major, "hello");
		return -1;
	}
	
	device_create(hello_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "hello"); /* /dev/hello */
	
	return 0;
}

/* 6. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数           */
static void __exit hello_exit(void)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	device_destroy(hello_class, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(hello_class);
	unregister_chrdev(major, "hello");
}


/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点                                     */

module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

参考Linux的内核进行编写程序D:\linux\Linux-4.9.88\Linux-4.9.88\drivers\char（字符驱动程序）

第18~24行：确定主设备号

第19行：主设备号

第20行：将write得到的数据传入数组kernel_buf中

第24行：得到数据长度的最小值
第26~53行：实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体

第31行：读取kernel_buf中的信息

第39行：将信息写入 kernel_buf
第55~62行： 定义自己的file_operations结构体

在结构体内设置open, read, write, release这四个成员
第66~85行：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

第82行：创造设备
**第87~94行：**得到一个出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数

第92行：销毁设备
第99~102行：提供设备信息，自动创建设备节点

第102行：增加GPL协议

阅读一个驱动程序，从它的入口函数开始 ，第 66 行就是入口函数。它的主要工作就是第 71 行，向内核注册一个 file_operations 结构体：hello_drv， 这就是字符设备驱动程序的核心。

file_operations 结构体 hello_drv 在第 56 行定义，里面提供了open/read/write/release成员，应用程序调用 open/read/write/close 时就会导致这些成员函数被调用。

file_operations 结构体 hello_drv 中的成员函数都比较简单，大多数只是打印而已。要注意的是，驱动程序和应用程序之间传递数据要使用copy_from_user/copy_to_user 函数。

3.写测试程序

测试程序要实现写、读功能：

./hello_drv_test -w www.100ask.net // 把字符串"www.100ask.net"发给驱动程序
./hello_drv_test -r // 把驱动中保存的字符串读回来

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

/*
 * ./hello_drv_test -w abc
 * ./hello_drv_test -r
 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	char buf[1024];
	int len;
	
	/* 1. 判断参数 */
	if (argc < 2) 
	{
		printf("Usage: %s -w <string>\n", argv[0]);
		printf("       %s -r\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	/* 2. 打开文件 */
	fd = open("/dev/hello", O_RDWR);
	if (fd == -1)
	{
		printf("can not open file /dev/hello\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;
}

三、测试

编写驱动程序的Makefile

驱动程序中包含了很多头文件，这些头文件来自内核，不同的 ARM 板它的某些头文件可能不同。所以编译驱动程序时，需要指定板子所用的内核的源码路径。、

要编译哪个文件？这也需要指定，设置 obj-m 变量即可，怎么把.c 文件编译为驱动程序.ko？这要借助内核的顶层 Makefile。 本驱动程序的 Makefile 内容如下：

# 1. 使用不同的开发板内核时, 一定要修改KERN_DIR
# 2. KERN_DIR中的内核要事先配置、编译, 为了能编译内核, 要先设置下列环境变量:
# 2.1 ARCH,          比如: export ARCH=arm64
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# 2.3 PATH,          比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_roc-rk3399-pc/ToolChain-6.3.1/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin 
# 注意: 不同的开发板不同的编译器上述3个环境变量不一定相同,
#       请参考各开发板的高级用户使用手册

KERN_DIR = KERN_DIR = /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Linux-4.9.88

all:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 
	$(CROSS_COMPILE)gcc -o hello_drv_test hello_drv_test.c 

clean:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
	rm -rf modules.order
	rm -f hello_drv_test

obj-m	+= hello_drv.o

先设置好交叉编译工具链，编译好你的板子所用的内核，然后修改 Makefile 指定内核源码路径，最后即可执行 make 命令编译驱动程序和测试程序。

**注意：**我们是在 Ubuntu 中编译程序，但是需要在 ARM 板子上测试。所以需要把程序放到 ARM 板子上。

启动单板后，可以通过 NFS 挂载 Ubuntu 的某个目录，访问该目录中的程序。

cp *.ko hello_drv_test ~/nfs_rootfs/

在 ARM 板上测试：

//安装驱动程序

[root@100ask:/mnt]# insmod hello_drv.ko

// 驱动程序会生成设备节点

// 查看测试程序的用法

//往驱动程序中写入字符串

// 从驱动程序中读出字符串

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