Linux-----驱动 - 技术栈

一、内核驱动与启动流程

1. Linux内核驱动

Nor Flash: 可线性访问，有专门的数据及地址总线（与内存访问方式相同）。
Nand Flash: 不可线性访问，访问需要控制逻辑（软件）。

2. Linux启动流程

ARM架构:
- IRAM (4KB): 内部RAM，用于存储初始引导程序。
- Nor Flash (2M): 存储u-boot程序。
- 内存 (64M): 用于加载内核和根文件系统。
- Nand Flash (256M): 存储内核、根文件系统等数据。
启动过程:
1. Bootloader (u-boot):
  - 初始化CPU、异常向量表、栈、时钟、内存等。
  - 关闭看门狗、中断、Cache、MMU。
  - 初始化相关硬件和软件协议。
  - 将内核加载到内存。
  - 向内核传递参数（根文件系统类型、位置、控制台等）。
  - 启动内核。
2. 内核 (kernel):
  - 文件管理、内存管理、进程管理、网络管理、设备管理。
  - 启动到最后阶段加载根文件系统。
  - init进程启动后台服务程序、加载配置、启动shell和应用程序。
3. 根文件系统 (rootfs):
  - 包含程序（应用、系统、命令）、配置文件、库文件、普通文件（txt、mp3）。

3. Windows与Linux对比

Windows: 使用BIOS启动。
Linux: 使用bootloader引导内核启动，内核加载rootfs。

4. 具体启动步骤

Nor Flash:
- 系统上电后，PC指向0地址，直接执行Nor Flash中的u-boot程序。
Nand Flash:
- 系统上电后，自动搬移u-boot前4KB程序到IRAM。
- CPU执行IRAM中的代码，u-boot初始化内存并将剩余代码搬移到内存执行。

5. 内核与文件系统

内核 (uImage):
- 启动前u-boot向内核传递参数（tag_list）。
- Nand Flash: u-boot直接读取Nand Flash中的uImage并写入内存的0x30008000地址处，启动内核。
- Ubuntu: 通过TFTP下载uImage到内存的0x30008000地址处，启动内核。
根文件系统 (rootfs):
- Nand Flash: uImage启动到最后阶段时，直接挂载Nand Flash中的rootfs。
- Ubuntu: uImage启动到最后阶段时，通过NFS挂载Ubuntu中的rootfs。

6. 前置步骤

向Nor Flash 0地址处烧写u-boot.bin。
拷贝uImage到Ubuntu的TFTP服务目录下。
将rootfs.tar.gz拷贝到Ubuntu的NFS服务目录下，并解压
复制代码
```
sudo tar -xvf rootfs.tar.gz
```

7. U-Boot命令

环境变量管理:
- printenv: 打印环境变量。
- reset: 重启。
- setenv serverip 192.168.1.3: 设置环境变量。
- saveenv: 保存环境变量到Nand Flash。
- setenv serverip: 删除环境变量。
下载与启动:
- tftp 0x30008000 uImage: 通过TFTP协议下载uImage到内存的0x30008000地址处。
- bootm 0x30008000: 启动内存0x30008000地址处的内核。
- go 0x30008000: 运行内存0x30008000地址处的程序。

8. 设置启动参数

复制代码

setenv bootargs console=ttySAC0,115200 root=/dev/nfs nfsroot=192.168.1.3:/home/linux/nfs/rootfs ip=192.168.1.123 init=/linuxrc

console: 控制台（终端）。
root: 根文件系统类型。
nfsroot: 根文件系统位置。
ip: 内核阶段使用的IP。
init: 指定init进程。

二、内核编译

1. 内核编译步骤

Kconfig : 定义make menuconfig的配置选项。
make menuconfig: 内核配置。
.config: 配置文件，决定哪些文件被编译进内核。
- CONFIG_SSL = n: 不启用SSL。
- CONFIG_MM = y: 启用内存管理。
makefile: 条件编译，编译内核。

2. 内核镜像类型

Image: 可以直接使用的内核镜像。
zImage: 一段解压代码 + Image的压缩文件。
uImage: 64字节的头信息 + zImage。

3. 地址相关代码

地址相关代码: 链接地址和加载地址一致。
地址无关代码: 链接地址和加载地址无关。

4. 跳转指令

相对跳转、短跳转 : b fun
绝对跳转、长跳转 : ldr pc, 0x00000000

5. 内核目录结构

6. 向内核新增文件

以向drivers/char下添加demo.c为例：

在drivers/char目录下新建并编辑demo.c。
修改同层目录下的Makefile，添加：

makefile
复制代码
```
obj-$(CONFIG_DEMO) += demo.o
```
修改同层目录下的Kconfig，添加一个DEMO的配置。
执行make menuconfig。
执行make uImage。

7. 内核编译命令

配置内核

复制代码

cp config_mini2440_t35 .config
make menuconfig

编译内核
复制代码
```
make uImage
```

8. 内核镜像说明

Image: 可直接使用的内核镜像。
zImage: 压缩的内核镜像，包含解压代码。
uImage: 带有64字节头信息的压缩内核镜像。

9. Makefile和Kconfig

每层目录都有Makefile和Kconfig文件，用于配置和编译内核。

10. 编译流程总结

配置内核 : 使用make menuconfig选择内核配置选项。
编译内核 : 使用make uImage生成内核镜像。
验证内核: 确保生成的内核镜像可以正常启动。

11. 注意事项

配置文件 : .config文件决定了哪些模块被编译进内核。
条件编译 : 使用obj-$(CONFIG_XXX)进行条件编译。
目录结构 : 每层目录都有Makefile和Kconfig文件，确保编译过程正确。

三、驱动程序

1. 设备文件与驱动模块

设备文件: 用户空间程序通过设备文件与驱动程序交互。
- 示例: open("/dev/led");
驱动模块: 内核中的驱动程序负责控制硬件设备。
- 示例: sys_open(led)调用驱动模块。

2. 设备驱动类型

字符设备驱动: 数据按顺序访问，90%以上的设备使用字符设备驱动。
块设备驱动: 可以随机访问，主要用于存储设备。
网络设备驱动: 网卡，集成复杂协议，通过套接字通信，没有设备号，靠名字维护。

3. 设备号

设备号: 用于标识设备。
- 主设备号 (高12位): 区分设备类型。
- 次设备号 (低20位): 区分同类的不同设备。
示例: dev_t 是32位设备号。

4. 创建设备节点

使用mknod命令创建设备节点
复制代码
```
mknod /dev/demo3 c 255 0
```
- /dev/demo3: 设备节点名。
- c: 字符设备。
- 255: 主设备号。
- 0: 次设备号。

5. 驱动模块结构

驱动模块 : 包含open、read、write、ioctl、close等函数。
示例: drv_led、drv_key、drv_adc分别对应LED、按键、ADC设备。

6. 设备驱动流程

应用程序调用设备文件:
- open("/dev/led");
内核调用驱动模块:
- sys_open(led) → drv_led。
驱动模块控制硬件设备:
- drv_led控制LED设备。

7. 设备号与驱动模块关系

每个设备号对应一个驱动模块。
内核通过设备号找到对应的驱动模块。

8. 设备号结构

复制代码

+--------+--------+----+-------+
| 8      | 8      | 2  | 14    |
+--------+--------+----+-------+
设备类型  命令编号  数据  参数大小
魔幻数           流向

设备类型 (魔幻数): 8位，标识设备类型。
命令编号: 8位，标识具体命令。
数据流向: 2位，标识数据方向。
参数大小: 14位，标识参数大小。

9. 设备驱动总结

字符设备: 顺序访问，适用于大多数设备。
块设备: 随机访问，适用于存储设备。
网络设备: 复杂协议，通过套接字通信。
设备号: 区分设备类型和具体设备。
驱动模块: 内核中的程序，负责控制硬件设备。

10. 关键命令

创建设备节点 : mknod。
设备文件操作 : open、read、write、ioctl、close。

11. 注意事项

设备号分配: 确保主设备号和次设备号唯一。
驱动模块编写 : 需要实现open、read、write等函数。
设备文件操作: 应用程序通过设备文件与驱动模块交互。