驱动（二）Linux 系统移植、驱动开发框架

一、Linux 驱动基础

1. 驱动分类及核心特点

驱动类型	数据处理方式	典型应用场景	关键特性
字符设备驱动	按单个字符顺序读写	串口、键盘、鼠标、LED	支持open/read/write等基本文件操作，无缓存或简单缓存
块设备驱动	按固定大小 "块"（通常 512 字节）读写	硬盘、eMMC、SD 卡、U 盘	支持随机访问，需缓存管理，通过文件系统间接访问
网络设备驱动	按网络帧（数据包）传输	以太网、WiFi、CAN 总线	不依赖文件系统，需对接 TCP/IP、CAN 等协议栈，通过socket接口访问

2. 驱动编译的两种方式（静态 vs 动态）

驱动编译的核心差异在于是否将驱动集成到内核镜像，或以独立模块形式加载，具体流程和区别如下：

（1）静态编译（内置到内核）

核心逻辑 ：将驱动代码直接编译进 Linux 内核镜像（如zImage），内核启动时自动加载驱动。操作步骤：

1. 准备驱动代码 ：在 Linux 内核源码的对应目录（如drivers/char/）编写驱动文件（例：hello.c）。

2. 修改 Kconfig ：在驱动目录的Kconfig文件中新增配置项，用于menuconfig图形化选择，示例：

   kconfig

   config HELLO_DRIVER
       tristate "Hello World Character Driver"
       help
           This is a test character driver for Linux.

3. 图形化配置 ：执行make ARCH=arm CROSS_COMPILE=xxx- menuconfig，在对应菜单中选中HELLO_DRIVER（勾选为*，表示静态编译）。

4. 更新配置文件 ：选中后，内核会自动在.config文件中添加CONFIG_HELLO_DRIVER=y（y表示静态内置）。

5. 修改 Makefile ：在驱动目录的Makefile中添加编译规则，将驱动文件关联到配置项：

   makefile

   obj-$(CONFIG_HELLO_DRIVER) += hello.o

6. 编译内核 ：执行make ARCH=arm CROSS_COMPILE=xxx- all -jN，驱动会随内核一起生成到zImage中。

（2）动态编译（模块编译）

核心逻辑 ：驱动代码编译为独立的内核模块文件（.ko），不内置到内核，可在系统运行时动态加载 / 卸载。操作步骤：

1. 准备驱动代码 ：同静态编译，编写hello.c（需包含模块加载 / 卸载函数，如module_init()/module_exit()）。
2. 修改 Kconfig ：同静态编译，配置项类型为tristate（支持静态 / 动态 / 不编译）。
3. 图形化配置 ：执行make menuconfig，将HELLO_DRIVER设为M（表示动态模块），.config中会生成CONFIG_HELLO_DRIVER=m。
4. 修改 Makefile ：同静态编译，编译规则不变（obj-$(CONFIG_XXX)自动适配m模式）。
5. 编译模块 ：执行make ARCH=arm CROSS_COMPILE=xxx- modules，内核仅编译标记为M的驱动，生成hello.ko文件。
6. 模块操作 ：
   • 加载：insmod hello.ko（临时加载，重启失效）
   • 卸载：rmmod hello（需确保驱动未被使用）
   • 查看：lsmod（查看已加载的模块）

二、Linux 驱动工程搭建（目录划分规范）

为保证工程可维护性，建议按 "功能模块 + 通用文件" 划分目录，典型结构如下：

plaintext

hello_driver/          # 驱动工程根目录
├── doc/               # 文档目录：存放驱动说明、接口文档、测试报告
├── driver/            # 驱动核心代码目录
│   ├── hello/         # 具体驱动模块（如hello驱动）
│   │   ├── hello.c    # 驱动核心逻辑（初始化、文件操作、中断处理等）
│   │   ├── hello.h    # 驱动头文件（宏定义、结构体、函数声明）
│   │   ├── Kconfig    # 该模块的配置文件
│   │   └── Makefile   # 该模块的编译规则
│   └── common/        # 通用驱动组件（如GPIO封装、中断封装）
├── include/           # 全局头文件目录：存放工程通用头文件（如平台定义、工具函数声明）
├── test/              # 测试程序目录：存放驱动测试代码（如`test_hello.c`，用于验证驱动功能）
├── scripts/           # 脚本目录：存放编译脚本（如`build.sh`）、烧录脚本（如`load_driver.sh`）
├── Makefile           # 工程顶层Makefile：调用内核Makefile，指定交叉编译工具链、架构等
└── README.md          # 工程说明：编译步骤、测试方法、注意事项

三、Linux 系统移植与驱动核心问题（重点）

1. Linux 系统移植需要哪些文件？各文件作用？

Linux 系统移植的核心是构建 "Bootloader + 内核 + 根文件系统" 三部分，所需关键文件及作用如下：

组件	关键文件 / 目录	作用说明
Bootloader（以 UBoot 为例）	U-Boot 源码目录、u-boot.bin	1. 硬件初始化（如 CPU、内存、GPIO、时钟）；2. 加载内核到内存；3. 传递启动参数（bootargs）给内核；4. 提供命令行交互（如烧录、分区管理）
Linux 内核	zImage/uImage、.config、设备树（*.dtb）	1. zImage：压缩后的内核镜像，是系统运行的核心；2. .config：内核配置文件，决定内核功能和驱动；3. *.dtb：设备树文件，描述硬件信息（如外设地址、中断号），替代传统的 "板级代码"
根文件系统	rootfs目录（包含bin/sbin/etc等）	1. 提供系统运行所需的文件和目录结构；2. 包含初始化脚本（如init）、系统命令（如ls/cd）、库文件（lib）；3. 存储用户数据和应用程序
交叉编译工具链	arm-linux-gnueabihf-gcc等	为 ARM 架构编译 UBoot、内核、根文件系统和驱动的工具集

2. Linux 系统的启动流程（从上电到应用运行）

完整启动流程分为 4 个阶段，按顺序如下：

1. **硬件上电初始化（固化代码）**上电后，CPU 先执行芯片内部固化的 "启动代码"（如 i.MX 的 ROM Code），完成最基础的硬件检查（如内存是否存在），然后从指定启动介质（如 eMMC、SD 卡）加载 Bootloader。

2. Bootloader（UBoot）阶段

   • 初始化硬件：配置 CPU 时钟、内存控制器、GPIO、串口等（让硬件处于可工作状态）。
   • 加载内核和设备树：将存储介质中的zImage（内核）和*.dtb（设备树）加载到内存指定地址（如内核加载到0x80800000）。
   • 传递启动参数：通过bootargs将根文件系统路径、串口配置等参数传递给内核，然后跳转到内核入口地址，启动内核。

3. Linux 内核阶段

   • 内核初始化：解压内核、初始化进程管理、内存管理、文件系统（如ext4）、驱动框架。
   • 设备树解析：解析*.dtb文件，识别硬件设备（如 UART、GPIO），并加载对应的驱动。
   • 启动 init 进程：内核初始化完成后，启动第一个用户空间进程init（PID=1），init进程负责后续的系统初始化。

4. 根文件系统与用户空间阶段

   • init进程执行初始化脚本（如/etc/init.d/rcS）：挂载其他分区（如/tmp）、启动网络服务、加载驱动模块、启动应用程序。
   • 进入用户交互：若配置了登录功能，会启动终端（如串口终端），等待用户登录，最终进入 Shell 命令行或自动启动应用。

3. UBoot 中bootcmd和bootargs的含义？

（1）bootcmd：UBoot 的 "自动启动命令"

• 作用 ：UBoot 启动后，若未手动打断（如按键盘按键），会自动执行bootcmd中定义的命令，用于加载内核和设备树。

• 典型示例 （针对 eMMC 启动）：

  bash

  setenv bootcmd 'mmc dev 0; mmc read 0x80800000 0x1000 0x8000; mmc read 0x83000000 0x9000 0x1000; bootz 0x80800000 - 0x83000000'

  命令拆解：

  • mmc dev 0：选择第 0 个 eMMC 设备；
  • mmc read 0x80800000 0x1000 0x8000：将 eMMC 中地址0x1000开始、长度0x8000的zImage读入内存0x80800000；
  • mmc read 0x83000000 0x9000 0x1000：将 eMMC 中地址0x9000开始、长度0x1000的设备树（*.dtb）读入内存0x83000000；
  • bootz 0x80800000 - 0x83000000：启动内核（bootz是压缩内核启动命令，-表示无 ramdisk，最后是设备树地址）。

（2）bootargs：UBoot 传递给 Linux 内核的 "启动参数"

• 作用 ：内核启动时会解析bootargs，获取根文件系统路径、串口配置、硬件参数等，决定系统的运行方式。

• 典型示例 ：

  bash

  setenv bootargs 'console=ttymxc0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 rw init=/linuxrc'

  参数拆解：

  • console=ttymxc0,115200：指定系统控制台为ttymxc0（第 1 个串口），波特率 115200；
  • root=/dev/mmcblk0p2：指定根文件系统位于mmcblk0p2（第 0 个 eMMC 的第 2 个分区）；
  • rootfstype=ext4：根文件系统类型为ext4；
  • rw：根文件系统以 "可读可写" 模式挂载；
  • init=/linuxrc：指定用户空间的第一个init进程路径为/linuxrc（通常是busybox的链接）。

4. UBoot 如何编译？UBoot 的功能？

（1）UBoot 编译步骤（以 ARM 架构为例）

1. 准备交叉编译工具链 ：确保arm-linux-gnueabihf-gcc已安装并添加到PATH（可通过echo $PATH验证）。

2. 获取 UBoot 源码 ：从官方（https://www.denx.de/wiki/U-Boot）或开发板厂商（如正点原子）获取适配的 UBoot 源码。

3. 加载默认配置 ：执行厂商提供的板级配置文件（位于configs/目录），示例（正点原子 IMX6ULL 开发板）：

   bash

   make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- mx6ull_alientek_emmc_defconfig

4. 图形化配置（可选） ：若需修改 UBoot 功能（如添加命令、支持外设），执行：

   bash

   make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

5. 编译 UBoot ：指定并行任务数（-jN，N 为 CPU 核心数的 1-2 倍），加速编译：

   bash

   make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- all -j16

6. 获取编译产物 ：编译完成后，在源码根目录生成u-boot.bin（UBoot 镜像，需烧录到启动介质）、u-boot.elf（调试用）等文件。

（2）UBoot 的核心功能

UBoot 的定位是 "硬件初始化与内核加载工具"，核心功能分为 5 类：

1. 硬件初始化：上电后初始化 CPU、内存（DDR）、时钟、GPIO、串口、存储设备（eMMC/SD）等，为内核运行准备硬件环境。
2. 内核加载与启动 ：从存储介质（eMMC、SD、U 盘、网络）加载内核（zImage）和设备树（*.dtb）到内存，传递bootargs后启动内核。
3. 命令行交互 ：提供丰富的命令集，用于调试和管理，如：
   • 存储操作：mmc（eMMC/SD）、usb（U 盘）、nand（NAND Flash）；
   • 内存操作：md（查看内存）、mw（修改内存）、cp（内存拷贝）；
   • 网络操作：ping（网络测试）、tftp（从 TFTP 服务器下载文件）；
   • 环境变量操作：setenv（设置环境变量）、saveenv（保存环境变量到存储介质）。
4. 系统烧录 ：支持将 UBoot、内核、根文件系统烧录到 eMMC、NAND Flash 等存储设备（如mmc write命令）。
5. 故障排查：提供串口打印、内存查看、硬件状态检测等功能，帮助定位硬件或系统启动问题。

5. 内核如何编译？如何裁剪？

（1）Linux 内核编译步骤（以 ARM 架构为例）

1. 准备环境 ：安装交叉编译工具链（如arm-linux-gnueabihf-gcc）、内核源码（从https://www.kernel.org/或厂商获取）。

2. 清理编译环境 ：若之前编译过，执行distclean彻底清理残留文件：

   bash

   make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean

3. 加载默认配置 ：执行板级默认配置文件（位于arch/arm/configs/目录），示例：

   bash

   make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- imx_alientek_emmc_defconfig

4. 图形化裁剪（可选） ：执行menuconfig调整内核配置（裁剪功能 / 驱动）：

   bash

   make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

5. 编译内核 ：执行all编译内核镜像、设备树和模块（-jN加速）：

   bash

   make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- all -j16

6. 获取产物 ：

   • 内核镜像：arch/arm/boot/zImage（压缩内核，用于启动）；
   • 设备树：arch/arm/boot/dts/xxx.dtb（xxx 为开发板对应的设备树文件名）；
   • 驱动模块：若有动态编译的驱动，生成*.ko文件（位于对应驱动目录）。

（2）内核裁剪方法（通过menuconfig）

内核裁剪的核心是 "保留必需功能，删除无用功能"，以减小内核体积、降低资源占用，步骤如下：

1. 进入裁剪界面 ：执行make ARCH=arm CROSS_COMPILE=xxx- menuconfig，进入图形化配置界面。
2. 裁剪原则 ：
   • 移除无用硬件驱动 ：如无老旧硬件（软驱、并口）、特定网卡或声卡驱动，检查Device Drivers子菜单，禁用无关选项。
   • 精简文件系统支持 ：保留必需的文件系统（如ext4、squashfs），移除Btrfs、ReiserFS等。
   • 禁用调试和性能分析 ：关闭Kernel hacking→Debugging相关选项，禁用Profiling和Tracers。
   • 优化网络功能 ：移除不用的网络协议（如Amateur Radio、IrDA），精简防火墙（Netfilter）规则，仅保留必需模块。
   • 模块化非核心功能 ：将不常用功能编译为模块（M），而非内置（Y），如某些文件系统或驱动。
3. 使用搜索功能 ：在menuconfig界面中，可以通过按 "/" 键来进行全局搜索，快速定位到需要裁剪或配置的选项。
4. 保存配置 ：完成裁剪后，按 "Esc" 键退出配置界面，选择保存配置，配置结果将保存到.config文件中。