复习——Linux设备驱动开发笔记

Linux设备驱动开发笔记

一、硬件基础

1. 存储器类型

RAM（随机存储器）

特点：访问速度快、容量小、运行程序使用、掉电数据丢失、可线性访问
种类：
- SRAM：静态RAM，速度快，成本高
- DRAM：动态RAM，需要刷新
- SDRAM：同步DRAM
- DDRn：双倍数据速率SDRAM

ROM（只读存储器）

特点：访问速度慢、容量大、存储文件、掉电数据不丢失、大部分不可线性访问
种类：
- PROM：可编程ROM
- EPROM：可擦除可编程ROM
- EEPROM：电可擦除可编程ROM

Flash/emmc

访问速率快
掉电数据不丢失
常用作存储设备

二、Linux启动流程

1. 总体流程对比

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Windows: BIOS -> Windows -> 桌面
Linux: bootloader -> linux kernel -> rootfs

2. Linux启动三阶段

(1) Bootloader阶段

主要任务：

初始化CPU（设置工作模式）
初始化异常向量表
初始化堆栈
关中断
关看门狗（防止自动重启）
关Cache
关闭MMU（将虚拟地址转为物理地址）
初始化内存
初始化相关设备（串口、网卡）
集成相关协议
搬移内核到内存，向内核传参（控制台、根文件系统类型/位置）
启动内核
移交CPU控制权给内核

(2) Linux内核阶段

五大管理功能：

文件管理
进程管理
网络管理
内存管理
设备管理

启动过程：

内核启动到最后阶段加载（挂载）根文件系统
内核init进程退化为用户init进程
流程：init(用户) -> services -> shell -> userapp

(3) 根文件系统

包含内容：

系统命令
启动脚本（系统服务、安装的应用程序）
配置文件
应用程序（工具、用户程序）
普通文件（文本、mp3、mp4）

3. imx6开发板启动方式

SD卡启动

系统上电，执行imx6内部ROM中的启动程序
根据boot mode选择对应外设
拷贝SD卡中bootloader前半部分到imx6内部RAM
bootloader初始化内存，并将自己后半部分搬移到内存执行
bootloader搬移SD卡中的内核(zImage)到内存0x80800000
PC指向0x80800000启动内核
内核挂载SD卡上的根文件系统

网络启动（内核和根文件系统在ubuntu上）

bootloader通过tftp下载ubuntu中的zImage到内存0x80800000
bootloader引导内核启动
内核通过nfs挂载ubuntu中的rootfs

内存地址布局：

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0地址        <- 起始地址
0x80000000   <- RAM起始
0x80800000   <- 内核加载地址

三、Ubuntu环境准备

1. TFTP服务配置

用途：传输内核镜像zImage和设备树文件dtb
步骤：

安装tftp服务
配置服务目录
拷贝zImage和xxx.dtb到tftp服务目录

2. NFS服务配置

用途：通过网络挂载根文件系统
步骤：

安装nfs服务
配置服务目录
解压根文件系统到nfs目录

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sudo tar -xvf rootfs.tar.bz2

3. 开发板挂载命令

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# 在开发板上执行
mount -o nolock,nfsvers=3 192.168.1.3:/home/linux/nfs /mnt

四、U-Boot常用命令

基本命令

help/?：查看uboot支持的命令
reset：uboot阶段重启命令
ping：测试网络
printenv：打印环境变量
setenv name value：设置环境变量（字符串类型）
setenv name：删除环境变量（值设为空）
saveenv：保存环境变量（通常保存到MMC）

网络相关环境变量

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# 设置开发板IP
setenv ipaddr 192.168.1.100

# 设置MAC地址
setenv ethaddr xx:xx:xx:xx:xx:xx

# 设置TFTP服务器IP
setenv serverip 192.168.1.3

TFTP下载命令

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# 下载内核到内存
tftp 0x80800000 zImage

# 下载设备树到内存
tftp 0x83000000 imx6.dtb

启动内核命令

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# 设置启动参数
setenv bootargs console=ttymxc0,115200 root=/dev/nfs \
nfsroot=192.168.1.3:/home/linux/nfs/imx6/rootfs,nfsvers=3 \
ip=192.168.1.100 init=/linuxrc

# 启动内核
bootz 0x80800000 - 0x83000000

启动参数解释：

console：指定Linux控制台
root：根文件系统类型为nfs
nfsroot：nfs文件系统路径
ip：Linux内核启动阶段使用的IP地址
init：指定init进程（1号进程）

五、内核编译

1. 配置系统

Kconfig：定义make menuconfig中的配置选项
.config：存储配置结果
Makefile：根据配置编译对应模块

Makefile示例：

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OBJ-$(CONFIG_MAIN) += main.o
OBJ-$(CONFIG_FUN1_MEMORY) += fun1.o
OBJ-$(CONFIG_FUN2_NET) += fun2.o

$(TARGET):$(OBJ)
    gcc $^ -o $@

.config示例：

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CONFIG_MAIN=y
CONFIG_FUN1_MEMORY=y
CONFIG_FUN2_NET=y

2. 内核编译步骤

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# 1. 解压内核源码
sudo tar -xvf linuxxxxxx.tar.gz

# 2. 修改权限
sudo chmod 0777 linuxxxxxx -R

# 3. 导入默认配置
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- imx_alientek_emmc_defconfig

# 4. 图形化配置
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- menuconfig

# 5. 编译内核
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- all -j16

3. 内核镜像类型

Image：可以直接执行的内核镜像
zImage：解压程序 + Image的压缩包
uImage：64字节头信息 + zImage

4. 向内核添加新文件

以向drivers/char/添加demo.c为例：

步骤1 ：创建并编辑drivers/char/demo.c

步骤2 ：修改drivers/char/Makefile

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obj-$(CONFIG_DEMO) += demo.o

步骤3 ：修改drivers/char/Kconfig

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config DEMO
    tristate "Demo driver"
    help
      This is a demo driver.

步骤4：配置和编译

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make menuconfig    # 配置DEMO选项
make zImage        # 编译内核

六、设备驱动分类

1. 字符设备驱动

数据按字节流访问（顺序性访问）
90%以上的设备都是字符设备
示例：LED、按键、串口

2. 块设备驱动

数据访问可以是随机的
一般是存储设备
示例：硬盘、SD卡

3. 网络设备驱动

集成复杂的协议栈
没有设备号（按名字维护）
示例：网卡

七、字符设备驱动开发

1. 驱动程序实现要素

硬件操作方法（open、read、write、close）
申请驱动模块对应的设备号
向系统注册驱动模块

2. 设备号

无符号32位整数
高12位：主设备号，代表设备类型（功能）
低20位：次设备号，区分同类不同设备

3. 开发工具ctags

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# 在内核源码目录生成索引
ctags -R

# 使用快捷键
Ctrl + ]  # 跳转到符号定义
Ctrl + o  # 返回

4. 手动创建设备节点

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# 格式：mknod 设备名 类型 主设备号 次设备号
mknod /dev/demo1 c 255 0

# 查看已加载驱动的主设备号
cat /proc/devices

八、字符设备驱动模板

1. 标准字符设备驱动

cpp 复制代码

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>

static struct file_operations fops;
static dev_t dev;
static struct cdev cdev;
static struct class *cls;

static int __init demo_init(void)
{
    // 1. 分配设备号
    dev = MKDEV(255, 0);
    register_chrdev_region(dev, 1, "demo");
    
    // 2. 初始化cdev结构
    cdev_init(&cdev, &fops);
    
    // 3. 添加cdev到系统
    cdev_add(&cdev, dev, 1);
    
    // 4. 创建设备类
    cls = class_create(THIS_MODULE, "demo_class");
    
    // 5. 创建设备节点
    device_create(cls, NULL, dev, NULL, "demo1");
    
    return 0;
}

static void __exit demo_exit(void)
{
    // 清理顺序与初始化相反
    device_destroy(cls, dev);
    class_destroy(cls);
    cdev_del(&cdev);
    unregister_chrdev_region(dev, 1);
}

module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

2. 杂项设备驱动（简化版）

cpp 复制代码

#include <linux/miscdevice.h>

static struct file_operations fops;

static struct miscdevice misc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,  // 自动分配次设备号
    .name = "demo",               // 设备名
    .fops = &fops                 // 文件操作
};

static int __init demo_init(void)
{
    return misc_register(&misc_dev);
}

static void __exit demo_exit(void)
{
    misc_deregister(&misc_dev);
}

module_init(demo_init);
module_exit(demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

九、内核模块编译

1. 配置为模块

修改Kconfig，将模块类型设为tristate
make menuconfig，将对应模块配置为M
make modules编译模块

2. 模块操作命令

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# 加载模块
insmod xxx.ko

# 卸载模块
rmmod xxx

# 查看已加载模块
lsmod

十、ioctl命令结构

cmd参数是32位整数，包含以下信息：

位段	名称	大小	说明
31-24	type	8 bits	设备类型
23-16	nr	8 bits	设备内的命令编号
15-14	dir	2 bits	数据流向（读/写）
13-0	size	14 bits	参数的大小

定义宏：

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#define _IO(type,nr)            // 无参数命令
#define _IOR(type,nr,size)      // 读命令
#define _IOW(type,nr,size)      // 写命令
#define _IOWR(type,nr,size)     // 读写命令

十一、设备驱动与设备资源

1. 总线类型

bus_type：总线类型基类
具体总线：i2c、spi、platform等

2. 设备资源匹配流程

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设备树节点（compatible属性）
        ↓
驱动匹配表（compatible属性）
        ↓
匹配成功 → 执行probe函数
        ↓
在probe中注册字符设备驱动
        ↓
设备可用

3. Platform设备结构

复制代码

struct platform_device {
    const char *name;          // 设备名，可用于匹配
    int id;
    struct device dev;
    u32 num_resources;
    struct resource *resource; // 设备资源
    const struct platform_device_id *id_entry;
};

4. 资源结构体

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struct resource {
    resource_size_t start;    // 资源起始地址
    resource_size_t end;      // 资源结束地址
    const char *name;         // 资源名称
    unsigned long flags;      // 资源标志
};

5. Platform驱动结构

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struct platform_driver {
    int (*probe)(struct platform_device *);    // 设备探测
    int (*remove)(struct platform_device *);   // 设备移除
    void (*shutdown)(struct platform_device *);
    int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);
    int (*resume)(struct platform_device *);
    struct device_driver driver;               // 包含name属性
    const struct platform_device_id *id_table; // 匹配表
};

6. 平台驱动注册

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// 注册宏
#define platform_driver_register(drv) \
    __platform_driver_register(drv, THIS_MODULE)

// 注册函数
int __platform_driver_register(struct platform_driver *, struct module *);

// 注销函数
void platform_driver_unregister(struct platform_driver *);

十二、设备树（Device Tree）

1. 设备树文件类型

.dts：设备树源文件（可编辑）
.dtb：设备树编译后的二进制文件（内核解析）

2. 编译命令

复制代码

make dtbs           # 编译所有设备树
make pt.dtb         # 编译pt.dts为pt.dtb

3. 设备树匹配机制

匹配条件：

设备树节点中有compatible属性
驱动程序中有相同的compatible属性
两者匹配成功则执行驱动的probe函数

备用匹配 ：如果没有compatible，可以用name匹配

十三、GPIO子系统

Linux内核提供的统一GPIO操作接口：

1. 常用函数

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// 申请GPIO
int gpio_request(unsigned gpio, const char *label);

// 配置为输出
int gpio_direction_output(unsigned gpio, int value);

// 配置为输入
int gpio_direction_input(unsigned gpio);

// 设置输出值
void gpio_set_value(unsigned gpio, int value);

// 获取输入值
int gpio_get_value(unsigned gpio);

// 释放GPIO
void gpio_free(unsigned gpio);

2. 使用流程

复制代码

// 1. 获取GPIO编号
int gpio_num = of_get_named_gpio(dev->of_node, "led-gpio", 0);

// 2. 申请GPIO
ret = gpio_request(gpio_num, "led");

// 3. 配置为输出
gpio_direction_output(gpio_num, 0);

// 4. 控制GPIO
gpio_set_value(gpio_num, 1);  // 高电平
gpio_set_value(gpio_num, 0);  // 低电平

// 5. 释放GPIO（在remove函数中）
gpio_free(gpio_num);