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- 1.内核基础数据类型/移植性/数据对齐：页大小为PAGE_SIZE，不要假设4K，保证可移植性
- 1.1 kdatasize.c：不同的架构（x86_64,arm），基础类型大小可能不同，主要区别在long和指针
- 1.2 kdataalign.c：数据存储时没有特殊指定会自然对齐：在数据项大小的整数倍的地址处存储数据项，如数据项为char类型即1个字节，那就要存在地址能整除1的位置，字节对齐可以提高CPU的访问效率
- 2.内核中断的使用，顶半部和底半部：使用中断可实现内核和外设的异步处理，提高通讯效率，降低系统功耗
- 3.通过IO内存访问外设：有的外设将自己的寄存器映射到了物理内存某个区域，那这个区域叫做io内存区域，linux内核访问这个区域能实现对外设访问和读写
- 4.PCI设备驱动：pci是一种标准总线，基于它可以实现块设备，网络设备，字符设备
1.内核基础数据类型/移植性/数据对齐：页大小为PAGE_SIZE，不要假设4K，保证可移植性
1.1 kdatasize.c：不同的架构（x86_64,arm），基础类型大小可能不同，主要区别在long和指针
/*
linux内核基础数据类型分三大类：C标准（int,long,char等），linux内核特有大小确定（u32，u16等），特定内核对象（pid_t，ssize_t,size_t等）
由于不同平台数据类型大小有区别，要考虑程序可移植性：-Wall（编译时使用这个标志会检查所有不兼容的问题），消除所有警告就可保证程序可移植性。编译器支持uint32_t，则不使用u32，使用uint32_t等标准类型
基础数据类型除了不同大小外还有存储方式不同，有的系统是大端存储方式，有的是小端，内核提供如下函数进行转换：
大小端： cpu_to_le32() le32_to_cpu() （小端32位转换为cpu存储类型）
cpu_to_be32() be32_to_cpu()
......
htonl() （host主机转换为network（网络存储都是大端）的long类型） ntohl()
htons() （.................short..） ntohs()
*/
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/utsname.h>
#include <linux/errno.h>
static void data_cleanup(void)
{
/* never called */
}
int data_init(void)
{
ssize_t n=90888;
printk("arch Size: char short int long ptr long-long "
" u8 u16 u32 u64\n");
printk("%-12s %3i %3i %3i %3i %3i %3i "
"%3i %3i %3i %3i\n",
init_uts_ns.name.machine,
(int)sizeof(char), (int)sizeof(short), (int)sizeof(int),
(int)sizeof(long),
(int)sizeof(void *), (int)sizeof(long long), (int)sizeof(__u8),
(int)sizeof(__u16), (int)sizeof(__u32), (int)sizeof(__u64));
printk("%i, %li, %i, %li\n",(int)sizeof(pid_t),(long)current->pid,(int)sizeof(ssize_t),(long)n);
printk("le32:%x be32:%x htonl:%x ntohl:%x\n", cpu_to_le32(0x1234abcd),
cpu_to_be32(0x1234abcd),
htonl(0x1234abcd),
ntohl(0x1234abcd));
return -ENODEV;
}
module_init(data_init);
module_exit(data_cleanup);
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
1.2 kdataalign.c：数据存储时没有特殊指定会自然对齐：在数据项大小的整数倍的地址处存储数据项，如数据项为char类型即1个字节，那就要存在地址能整除1的位置，字节对齐可以提高CPU的访问效率
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/utsname.h>
#include <linux/errno.h>
struct c {char c; char t;} c;
struct s {char c; short t;} s;
struct i {char c; int t;} i;
struct l {char c; long t;} l;
struct ll {char c; long long t;} ll;
struct p {char c; void * t;} p;
struct u1b {char c; __u8 t;} u1b;
struct u2b {char c; __u16 t;} u2b;
struct u4b {char c; __u32 t;} u4b;
struct u8b {char c; __u64 t;} u8b;
struct {
u16 id;
u8 a;
u64 lun;
u16 reserved1;
u32 reserved2;
}__attribute__((packed)) scsi; // 属性：不用对齐，每个数据紧挨着
struct {
u16 id;
u8 a;
u64 lun;
u16 reserved1;
u32 reserved2;
} scsi1;
static void data_cleanup(void)
{
/* never called */
}
static int data_init(void)
{
/* print information and return an error */
printk("arch Align: char short int long ptr long-long "
" u8 u16 u32 u64\n");
printk("%-12s %3i %3i %3i %3i %3i %3i "
"%3i %3i %3i %3i\n",
init_uts_ns.name.machine,
/* note that gcc can subtract void * values, but it's not ansi */
(int)((void *)(&c.t) - (void *)&c), //第二个成员地址 - 结构体地址 = 地址差即偏移的字节数
(int)((void *)(&s.t) - (void *)&s),
(int)((void *)(&i.t) - (void *)&i),
(int)((void *)(&l.t) - (void *)&l),
(int)((void *)(&p.t) - (void *)&p),
(int)((void *)(&ll.t) - (void *)&ll),
(int)((void *)(&u1b.t) - (void *)&u1b),
(int)((void *)(&u2b.t) - (void *)&u2b),
(int)((void *)(&u4b.t) - (void *)&u4b),
(int)((void *)(&u8b.t) - (void *)&u8b));
//printk("%lx %lx %lx %lx %lx %lx %lx %lx %lx %lx \n",(unsigned long)&c,(unsigned long)&s,(unsigned long)&i,(unsigned long)&l,(unsigned long)&p,(unsigned long)&ll,(unsigned long)&u1b,(unsigned long)&u2b,(unsigned long)&u4b,(unsigned long)&u8b);
printk("packed %i unpacked %i\n",(int)sizeof(scsi),(int)sizeof(scsi1));
printk(" id a lun reserved1 reserved2\n");
printk("scsi %lx %lx %lx %lx %lx",(unsigned long)&scsi.id,(unsigned long)&scsi.a,(unsigned long)&scsi.lun,(unsigned long)&scsi.reserved1,(unsigned long)&scsi.reserved2);
printk("scsi1 %lx %lx %lx %lx %lx\n",(unsigned long)&scsi1.id,(unsigned long)&scsi1.a,(unsigned long)&scsi1.lun,(unsigned long)&scsi1.reserved1,(unsigned long)&scsi1.reserved2);
return -ENODEV;
}
module_init(data_init);
module_exit(data_cleanup);
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
x86_64，unpacked，scsi1都是对其的。
如下不对齐。
如下对齐。
2.内核中断的使用，顶半部和底半部：使用中断可实现内核和外设的异步处理，提高通讯效率，降低系统功耗
// hello.c
/*
request_irq() //申请中断，申请成功后就可以使用这个中断，中断触发就会调用注册的回调函数
free_irq()
typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *); //中断回调函数，第一个参数是中断号int类型
enable_irq() //打开指定的中断
disable_irq()
//内核提供如下函数打开或关闭该处理器上所有中断，但是不起作用：可能内核不允许关闭所有中断，也可能这里关了中断，在其它地方被打开了
local_irq_enable()
local_irq_restore()
local_irq_disable()
local_irq_save()
*/
#include<linux/module.h>
#include<linux/gpio.h> //用到了树莓派的gpio
#include<linux/interrupt.h>
#include<linux/proc_fs.h> //用到了proc文件系统
#include<linux/uaccess.h> //用到了内核空间与用户空间数据交互对应函数
static struct work_struct work;
unsigned long flags;
void workqueue_fn(struct work_struct *work) //下半部/底半部 //工作队列回调函数，不紧急且耗时的在这执行
{
printk("hello workqueue\n");
}
static irqreturn_t irq_handler(int irq,void *dev) //上半部/顶半部 紧急工作 //中断回调函数，第一个参数中断号，第二个参数设备结构地址
{
static int n=0;
printk("get irq%d int %d\n",irq,++n); //中断号和中断次数
schedule_work(&work); //把工作放到默认的工作队列中运行
return IRQ_HANDLED; //中断回调函数irqreturn_t退出后，workqueue_fn就会运行
}
ssize_t hp_write(struct file * filp, const char __user * buff, size_t count, loff_t * f_pos)
{
char a;
get_user(a,buff);
if(a=='0') //给proc文件写入的是0，关闭中断
{
printk("disable irq\n");
disable_irq(gpio_to_irq(12));
//local_irq_disable();
//local_irq_save(flags);
}
else
{
printk("enable irq\n");
enable_irq(gpio_to_irq(12));
//local_irq_enable();
//local_irq_restore(flags);
}
return count;
}
struct file_operations hp_ops = { //proc_create接口，通过proc控制中断开闭
.write = hp_write,
};
//1111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111
static int __init hello_init(void)
{
int err;
printk(KERN_INFO "HELLO LINUX MODULE\n");
proc_create("hello_proc",0777,NULL,&hp_ops); //可读可写可执行，主要用到可写
//如下初始化工作，中断里涉及到顶半部和底半部问题, 底半部使用到的机制是工作队列，所以要初始化一个work，
//将底半部操作放在工作队列中去执行
INIT_WORK(&work,workqueue_fn);
err = request_irq(gpio_to_irq(12),irq_handler,IRQ_TYPE_EDGE_BOTH,"hello-int",NULL);
//上行第一个参数：通过gpio号12获取中断号。第二个参数：中断回调函数irq_handler。第三个参数：触发方式：上升沿下降沿都会触发中断
//第四个参数：hello-int名称会在proc文件系统中显示，第五个参数：指针参数，这个参数会在中断触发后通过irq_handler中一个参数传入
if(err<0)
{
printk("irq_request failed\n");
remove_proc_entry("hello_proc",NULL);
return err;
}
return 0;
}
static void __exit hello_exit(void)
{
printk(KERN_INFO "GOODBYE LINUX\n");
free_irq(gpio_to_irq(12),NULL); //释放request_irq申请的中断
remove_proc_entry("hello_proc",NULL);
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
MODULE_AUTHOR("KGZ");
MODULE_VERSION("V1.0");
// gpioout.c // 测试中断运行状态
#include <bcm2835.h>
#include<unistd.h>
int main(int argc ,char* argv[])
{
int n = atoi(argv[1]);
bcm2835_init();
bcm2835_gpio_fsel(21,BCM2835_GPIO_FSEL_OUTP);
//树莓派21号引脚和之前12号引脚硬件连在一起，这样可通过控制21号引脚高低电平触发12号引脚中断
while(n--)
{
bcm2835_gpio_set(21); //高电平
sleep(1);
bcm2835_gpio_clr(21); //低电平
sleep(1);
}
return 0;
}
如下循环一次（参数是1），触发两次中断，上升沿一次，下降沿一次。
如下先是中断回调，再是工作队列。cat /proc/interrupts看出在CPU0上发生2次中断。
如下关闭中断（非0是开中断），再次运行./gpioout 1，dmesg看没有信息更新。
3.通过IO内存访问外设：有的外设将自己的寄存器映射到了物理内存某个区域，那这个区域叫做io内存区域，linux内核访问这个区域能实现对外设访问和读写
// hello.c
/*
request_mem_region() //访问外设前需要先申请这片io内存区域
release_mem_region()
ioremap() //io内存区域（上行申请的）是物理地址，内核使用的是虚拟地址，ioremap将物理地址映射为虚拟地址
iounmap()
ioread32() ioread8()/ioread16() //读取io内存 //硬件是树莓派，四字节对齐地址读写的话都能读到正常值
iowrite32() iowrite8()/iowrite16()
*/
#include<linux/module.h>
#include<linux/io.h>
unsigned long gpio_base = 0x3f200000; //树莓派gpio基地址
int gpio_len =0xb3; //寄存器范围
struct timer_list t1; //内核定时器，让1s开一次灯，1s关一次灯
int tdelay;
uint8_t flag=0;
void timer_fn(struct timer_list *t) //定时器回调函数
{
if(flag)
iowrite32(ioread32((void *)(gpio_base+0x1c))|(1<<4),(void*)(gpio_base+0x1c)); //1c寄存器将gpio置为高电平
else
iowrite32(ioread32((void *)(gpio_base+0x28))|1<<4,(void*)(gpio_base+0x28)); //28寄存器将gpio置为低电平
flag=!flag;
mod_timer(&t1,jiffies+msecs_to_jiffies(1000)); //gpio4接了一个led灯，以1s频率亮灭
}
//11111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111
static int __init hello_init(void)
{
printk(KERN_INFO "HELLO LINUX MODULE\n");
// if (! request_mem_region(gpio_base,gpio_len , "gpio")) { //理论上先申请这片区域，不过树莓派已经将这片区域申请好了，可通过cat /proc/iomem了解i/o内存分配情况（gpio....）
// printk(KERN_INFO " can't get I/O mem address 0x%lx\n",
// gpio_base);
// return -ENODEV;
// }
gpio_base = (unsigned long)ioremap(gpio_base,gpio_len);
//将基地址内容读出来或上要改变的值，再写回去。iowrite32第一个参数是写的值，第二个参数是写的地址
iowrite32(ioread32((void *)gpio_base)|(1<<12),(void*)gpio_base); //这一整行代码意思是将pin4设置为输出,具体寄存器含义下载树莓派芯片手册查看
printk(KERN_INFO"gpio remap base:0x%lx\n",gpio_base);
//如下gpio地址是4字节对齐的，可以用如下8 16 32读, 如果gpio_base+1，+2，+3就不对了
printk(KERN_INFO"read %x %x %x\n",ioread8((void *)(gpio_base)),ioread16((void *)(gpio_base)),ioread32((void *)(gpio_base)));
timer_setup(&t1,timer_fn,0); //初始化定时器
mod_timer(&t1,jiffies+msecs_to_jiffies(1000)); //设置溢出时间1s
return 0;
}
static void __exit hello_exit(void)
{
printk(KERN_INFO "GOODBYE LINUX\n");
//release_mem_region(gpio_base,gpio_len);
del_timer(&t1);
iounmap((void *)gpio_base);
}
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");//许可 GPL、GPL v2、Dual MPL/GPL、Proprietary(专有)等,没有内核会提示
MODULE_AUTHOR("KGZ"); //作者
MODULE_VERSION("V1.0"); //版本
如下make，insmod。对其他寄存器或其他外设操作也是类似，只要这外设是按照io内存方式映射的，就可以用这种方式控制它。
4.PCI设备驱动：pci是一种标准总线，基于它可以实现块设备，网络设备，字符设备
如下是PCI设备的配置寄存器值：每个PCI设备中都有一个配置区域，这个区域保存了PCI设备信息，下图是前64字节内容（标准化的）。
// pci_skel.c
/*
struct pci_device_id 用这结构体构造一个数组，数组中包含驱动支持的所有设备
PCI_DEVICE() 这个宏通过vendor-id和device-id填充上面pci_device_id结构体内容
PCI_DEVICE_CLASS() 通过class类填充pci_device_id结构体内容
MODULE_DEVICE_TABLE() 上面填充好结构体构造的数组后，调用MODULE_DEVICE_TABLE()宏，导出pci_device_id结构体到用户空间，使热插拔和模块装载系统知道什么模块针对什么硬件设备
struct pci_driver 利用这结构体将驱动注册到内核中
pci_register_driver() 注册
pci_unregister_driver() 注销
在读取pci设备的配置寄存器或io空间，io地址时，需要如下调用：
pci_enable_device() 激活/初始化pci设备，比如唤醒设备、读写配置信息等
pci_disable_device() 关闭设备
如下内核提供一系列函数读取pci设备配置信息
pci_read_config_byte() 8位
pci_read_config_word() 16位
pci_read_config_dword() 32位
pci_resource_start() 获取区域信息(bar info) pci支持6个区域（io端口/io内存），获取io空间起始地址
pci_resource_end() 获取io空间结束地址
pci_resource_flags() 获取io空间标志信息
pci_request_regions() 获得io空间地址后，调用这行函数申请这片区域，跟request_mem_region()一样
pci_release_regions()
pci_ioremap_bar() 物理地址映射到虚拟地址空间，跟ioremap一样，作了必要的检查
pci_set_drvdata() 设置驱动私有数据
pci_get_drvdata() 获取驱动私有数据
*/
#include <linux/module.h>
#include <linux/pci.h>
struct pci_card //私有数据
{
//端口读写变量
resource_size_t io; //io空间起始地址
long range,flags; //空间大小，空间标志
void __iomem *ioaddr; //地址被映射后的虚拟地址
int irq; //pci设备中断号
};
static struct pci_device_id ids[] = { //pci_device_id里面包含这驱动支持的所有pci设备
{ PCI_DEVICE(PCI_VENDOR_ID_INTEL, 0x100e) }, //第一个参数：厂商号。第二个参数：设备id
{ PCI_DEVICE(PCI_VENDOR_ID_INTEL,PCI_DEVICE_ID_INTEL_80332_0) },
{ 0, } //最后一组是0，表示结束
};
MODULE_DEVICE_TABLE(pci, ids); //导出到用户空间：第一个参数：总线类型。第二个参数：上面数组名称。
void skel_get_configs(struct pci_dev *dev) //测试读写配置空间
{
uint8_t val1;
uint16_t val2;
uint32_t val4;
pci_read_config_word(dev,PCI_VENDOR_ID, &val2);
printk("vendorID:%x",val2);
pci_read_config_word(dev,PCI_DEVICE_ID, &val2);
printk("deviceID:%x",val2);
pci_read_config_byte(dev, PCI_REVISION_ID, &val1);
printk("revisionID:%x",val1);
pci_read_config_dword(dev,PCI_CLASS_REVISION, &val4);
printk("class:%x",val4);
}
/* 设备中断服务*/
static irqreturn_t mypci_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
struct pci_card *mypci = (struct pci_card *)dev_id;
printk("irq = %d,mypci_irq = %d\n",irq,mypci->irq);
return IRQ_HANDLED;
}
//111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111
static int probe(struct pci_dev *dev, const struct pci_device_id *id) //当我们插入模块时，内核发现驱动程序和设备是匹配的就会调用probe函数，第一个参数pci设备结构体，第二个参数数组
{
int retval = 0;
struct pci_card *mypci;
printk("probe func\n");
if(pci_enable_device(dev)) //激活pci设备
{
printk (KERN_ERR "IO Error.\n");
return -EIO;
}
mypci = kmalloc(sizeof(struct pci_card),GFP_KERNEL); //私有数据分配一空间
if(!mypci)
{
printk("In %s,kmalloc err!",__func__);
return -ENOMEM;
}
//如下是给私有数据的属性赋值
mypci->irq = dev->irq; //给私有数据中断号赋值，内核启动时扫描pci设备，给pci设备分配中断号获取基本信息
if(mypci->irq < 0)
{
printk("IRQ is %d, it's invalid!\n",mypci->irq);
goto out_mypci;
}
mypci->io = pci_resource_start(dev, 0); //获得区域0的开始地址
mypci->range = pci_resource_end(dev, 0) - mypci->io + 1; //结束地址 - 开始地址 + 1 就是空间大小
mypci->flags = pci_resource_flags(dev,0); //获取区域0标志，这标志会指示这区域是io内存还是io端口
printk("start %llx %lx %lx\n",mypci->io,mypci->range,mypci->flags);
printk("PCI base addr 0 is io%s.\n",(mypci->flags & IORESOURCE_MEM)? "mem":"port"); //判断是io内存还是io端口
//retval=request_mem_region(mypci->io,mypci->range, "pci_skel");
retval = pci_request_regions(dev,"pci_skel"); //要操作这内存区域，首先要分配这内存区，作用同上行
if(retval)
{
printk("PCI request regions err!\n");
goto out_mypci;
}
mypci->ioaddr = pci_ioremap_bar(dev,0); //分配成功，就将物理地址映射到内核的虚拟地址中，作用同下行，不过pci.h提供pci_ioremap_bar就用这个
//mypci->ioaddr = ioremap(mypci->io,mypci->range); 这里变量的类型与函数参数的类型必须一致，否则会出错
if(!mypci->ioaddr)
{
printk("ioremap err!\n");
retval = -ENOMEM;
goto out_regions;
}
//申请中断IRQ并给中断号绑定中断服务子函数pci_ioremap_bar
retval = request_irq(mypci->irq, mypci_interrupt, IRQF_SHARED, "pci_skel", mypci);
if(retval)
{
printk (KERN_ERR "Can't get assigned IRQ %d.\n",mypci->irq);
goto out_iounmap;
}
pci_set_drvdata(dev,mypci); //将私有数据保存到pci设备结构体中
printk("Probe succeeds.PCIE ioport addr start at %llX, mypci->ioaddr is 0x%p,interrupt No. %d.\n",mypci->io,mypci->ioaddr,mypci->irq);
skel_get_configs(dev); //测试读写配置空间
return 0;
out_iounmap:
iounmap(mypci->ioaddr);
out_regions:
pci_release_regions(dev);
out_mypci:
kfree(mypci);
return retval;
}
//当probe函数结束后就拿到了pci设备io空间地址，之后业务逻辑代码操作这io地址进行
static void remove(struct pci_dev *dev) //移除PCI设备，清除在prob函数中做的工作
{
struct pci_card *mypci = pci_get_drvdata(dev); //获得私有数据
free_irq (mypci->irq, mypci); //释放中断号
iounmap(mypci->ioaddr); //取消地址映射
//release_mem_region(mypci->io,mypci->range);
pci_release_regions(dev); //释放申请的空间
kfree(mypci); //释放私有数据
pci_disable_device(dev); //关闭pci设备
printk("Device is removed successfully.\n");
}
static struct pci_driver pci_driver = {
.name = "pci_skel", //一般和模块名称一样即本文件名称
.id_table = ids, //支持的所有设备结构体数组的名称
.probe = probe, //当内核检测到和驱动匹配后会调用probe
.remove = remove,
};
//111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111
static int __init pci_skel_init(void)
{
printk("HELLO PCI\n");
return pci_register_driver(&pci_driver); //上行结构体地址
}
static void __exit pci_skel_exit(void)
{
printk("GOODBYE PCI\n");
pci_unregister_driver(&pci_driver); //注销驱动程序
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(pci_skel_init);
module_exit(pci_skel_exit);
如下网卡驱动在设备启动时就加载了，需先将模块驱动移除rmmod。显示probe func说明调用了probe函数，发现了匹配的设备。mypci->ioaddr是映射后的虚拟地址。
lspci：列出系统中所有pci的简略信息，总线:设备.功能。
如下还有一个pci网卡信息。cat /pro/bus/pci/devices也会列出pci设备详细信息。
如下进入目录得到pci设备信息文件。
