ARM 裸机与 Linux 驱动对比及 Linux 内核入门

ARM裸机代码和驱动的区别

Linux系统组成

内核五大功能

设备驱动分类

内核类型

驱动模块

驱动模块示例

Makefile配置

命令

编码辅助工具

内核中的打印函数

printk 函数

修改打印级别

编辑

打印级别含义

驱动多文件编译

示例

模块传递参数

命令行传递参数

支持的数据类型

module_param 函数

MODULE_PARM_DESC 函数

示例

module_param_array 函数

字符设备驱动

Linux系统中一切皆文件

字符设备驱动步骤

字符设备驱动的注册

编辑

字符设备驱动的注销

以下是本人学习时的一些笔记，对初入门的驱动可能会有一些帮助，希望可以帮到大家~

ARM裸机代码和驱动的区别

共同点：

都能够操作硬件。

不同点：

裸机编程是直接用C语言给寄存器写值。
驱动编程遵循一定的框架和规范，通过往寄存器写值来控制硬件。
裸机代码独立编译和执行，而驱动依赖于内核进行编译和执行。
裸机程序一次只能执行一个任务，而驱动可以支持并发执行多个任务。
裸机程序只需一个main函数即可，而驱动需要遵循内核的框架和流程。

Linux系统组成

用户空间（0-3G）：每个进程独占0-3G的虚拟地址空间。

内核空间（3-4G）：所有进程共享3-4G的虚拟地址空间。
系统调用：应用程序通过系统调用（软中断SWI）与内核交互。

内核五大功能

进程管理：负责进程的创建、销毁和调度。
文件管理：通过文件系统（如ext2/ext3/ext4/YAFFS/JFFS等）来管理文件。
网络管理：通过网络协议栈（如OSI/TCP/IP）处理数据包的封装和拆解。
内存管理：负责用户空间和内核空间内存的分配和回收。
设备管理：管理设备驱动，如字符设备、块设备和网络设备。

设备驱动分类

字符设备驱动：如LED、鼠标、键盘、LCD、触摸屏等。
- 按照字节为单位访问，支持顺序访问。
- 创建设备文件，通过open, read, write, close等操作访问。
块设备驱动：如摄像头、U盘、eMMC等。
- 按照块（通常是512字节）访问，支持顺序和随机访问。
- 创建设备文件，通过open, read, write, close等操作访问。
网络设备驱动：如网卡。
- 按照网络数据包进行收发。

内核类型

宏内核：将主要功能集成在一个内核中。
- 优点：运行效率高。
- 缺点：任何一个部分出错都可能导致整个内核崩溃。
- 示例：Ubuntu, Android
微内核：只包含最基本的功能，其他功能通过服务的形式在用户空间实现。
- 优点：更高的稳定性和安全性。
- 缺点：相对较低的运行效率。
- 示例：HarmonyOS, QNX

驱动模块

三要素：入口、出口、许可证。
入口：资源的申请。
出口：资源的释放。
许可证：通常使用GPL许可。

（__init可以不指定，及可以不写，但是正常是写的）

驱动模块示例

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>

//__init将hello_init放到.init.text段中
static int __init hello_init(void) {
    // 初始化函数
    return 0;
}

//__exit将hello_exit放到.exit.text段中
static void __exit hello_exit(void) {
    // 清理函数
}

//告诉内核驱动的入口地址(函数名为函数首地址)
module_init(hello_init);

//告诉内核驱动的出口地址
module_exit(hello_exit);

//许可证
MODULE_LICENSE("GPL");

Makefile配置

KERNELDIR := /lib/modules/$(shell uname -r)/build/
PWD := $(shell pwd)

all:
    make -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules

clean:
    make -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) clean

obj-m += hello.o

命令

安装驱动模块：sudo insmod hello.ko
卸载驱动模块：sudo rmmod hello

查看已加载的模块：lsmod
查看内核消息：dmesg
清空内核消息：sudo dmesg -C 或 sudo dmesg -c
持续查看内核消息：sudo dmesg -w

编码辅助工具

创建索引文件：ctags -R
在vi中跳转至标签：ctrl + ] 和 ctrl + t

Ubuntu内核所对应的内核路径

内核中的打印函数

printk 函数

函数原型：
```
printk(打印级别 "内容")
```

示例：

printk(KERN_ERR "Fail%d", a);
printk(KERN_ERR "%s:%s:%d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
printk("%s:%s:%d\n", __FILE__, __func__, __LINE__);

查看内核打印级别：
```
vi -t KERN_ERR
```

内核打印级别定义：

#define KERN_EMERG  "<0>"   /* system is unusable        */
#define KERN_ALERT  "<1>"   /* action must be taken immediately */
#define KERN_CRIT   "<2>"   /* critical conditions          */
#define KERN_ERR    "<3>"   /* error conditions         */
#define KERN_WARNING    "<4>"   /* warning conditions           */
#define KERN_NOTICE "<5>"   /* normal but significant condition */
#define KERN_INFO   "<6>"   /* informational            */
#define KERN_DEBUG  "<7>"   /* debug-level messages         */

打印级别范围：
- 从 <0> 到 <7>，<0> 为最高级别，<7> 为最低级别。

修改打印级别

查看当前打印级别：
```
cat /proc/sys/kernel/printk
```

打印级别的含义：
- 第一个数字：终端的级别。
- 第二个数字：消息的默认级别。
- 第三个数字：终端的最大级别。
- 第四个数字：终端的最小级别。

修改系统默认的级别：

su root
echo 4 3 1 7 > /proc/sys/kernel/printk

添加修改级别命令：

echo 4 3 1 7 > /proc/sys/kernel/printk

打印级别含义

终端的级别：只有当消息的级别大于或等于终端级别时，消息才会在终端上显示。
消息的默认级别：如果没有特别指定，消息将采用此级别。
终端的最大级别：终端可以显示的最高级别。

安装驱动和卸载驱动时，消息会打印。

驱动多文件编译

示例

文件列表：
- hello.c
- add.c
Makefile：
```
obj-m := demo.o
demo-y += hello.o add.o
```
说明：
- -y 作用：将 hello.o 和 add.o 文件合并到 demo.o 中。
- 最终生成：demo.ko 文件。

模块传递参数

命令行传递参数

命令示例：
```
sudo insmod demo.ko hello world
```

支持的数据类型

标准类型：
- byte, short, ushort, int, uint, long, ulong
- charp: 字符串指针
- bool: 布尔值，接受 0/1, y/n, Y/N
- invbool: 布尔值，接受 0/1, y/n, Y/N，但意义相反（N 表示真）

module_param 函数

函数原型：
```
module_param(name, type, perm);
```
参数：
- name: 变量的名字。
- type: 变量的类型。
- perm: 权限，如 0664, 0775。

MODULE_PARM_DESC 函数

函数原型：
```
MODULE_PARM_DESC(_parm, desc);
```
参数：
- _parm: 变量。
- desc: 描述字段。

示例

命令行参数：

sudo insmod hello.ko a=20 b=30 c=65 p="hello_world"

注意事项：
- 传递字符时使用 ASCII 码值。
- 传递字符串时不能包含空格。

module_param_array 函数

函数原型：

module_param_array(name, type, nump, perm);

参数：
- name: 数组名。
- type: 数组的类型。
- nump: 参数的个数，变量的地址。
- perm: 权限。

练习：

1.byte类型如何使用 (传递参数用ascii)

2.如何给一个指针传递一个字符串

命令行参数：

sudo insmod hello.ko a=121 b=10 c=65 p="hello" ww=1,2,3,4,5

传参成功~

字符设备驱动

Linux系统中一切皆文件

应用层：

fd = open("led驱动的文件", O_RDWR);
read(fd);
write(fd);
close(fd);

内核层：

驱动文件：led_driver.c

驱动函数：

driver_open();
driver_read();
driver_write();
driver_close();

结构体定义：

struct file_operations {
    int (*open)(struct inode *, struct file *);
    ssize_t (*read)(struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
    ssize_t (*write)(struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
    int (*release)(struct inode *, struct file *);
;

设备号：
- 32位无符号数字：
  - 高12位：主设备号，用于区分设备类别。
  - 低20位：次设备号，用于区分同一类别中的不同设备。
硬件层：
- LED、UART、ADC、PWM 等设备。

字符设备驱动步骤

注册字符设备驱动 - 得到一个字符设备驱动的框架，并获得设备号。
确定操作的硬件设备 - 如 LED 灯（初始化灯）。
初始化灯 - 建立灯实际物理地址和虚拟地址之间的映射。
用户空间与内核空间数据交互 - 当用户使用时，驱动会被真正运行，涉及数据交互。
在应用层创建设备文件（设备节点）。

字符设备驱动的注册

函数原型：

int register_chrdev(unsigned int major, const char *name,
                    const struct file_operations *fops);

参数：
- major：主设备号。
  - 如果填写的值大于0，它认为这个就是主设备号。
  - 如果填写的值为0，操作系统会分配一个主设备号。
- name：设备名称。
- fops：操作方法结构体。
返回值：
- major > 0：成功返回0，失败返回错误码（负数）。
- major = 0：成功返回分配的主设备号，失败返回错误码（负数）。
查看设备信息：
```
cat /proc/devices
```

字符设备驱动的注销

函数原型：

void unregister_chrdev(unsigned int major, const char *name);

参数：
- major：主设备号。
- name：设备名称。
返回值：无。